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氫能兼具高能量密度、補給快速、清潔無碳排放等優(yōu)勢，是發(fā)展與實現(xiàn)低碳經(jīng)濟的終極能源之一。電解水是制造高純“綠氫”的主要技術(shù)途徑，但過高的能耗成本使其在短期內(nèi)難以代替化石能源重整、工業(yè)副產(chǎn)氣等傳統(tǒng)“藍氫”制造技術(shù)。近年來，研究者基于對水分解反應(yīng)機理的不斷深入認識，通過電催化劑設(shè)計與電解技術(shù)工藝的持續(xù)優(yōu)化，顯著降低了電解水制氫技術(shù)的能耗與成本，但這一技術(shù)仍難以擺脫對電能的高度依賴。

針對這一難題，精細化工國家重點實驗室王治宇、邱介山教授在Angewandte Chemie International Edition發(fā)表題為“Hydrogen Production and Water Desalination with On-demand Electricity Output Enabled by Electrochemical Neutralization Chemistry”的研究論文，提出了一種新概念的電化學(xué)中和能電池，在無需外部電力輸入的條件下，實現(xiàn)綠色氫能與電能的按需聯(lián)產(chǎn)。此技術(shù)在利用酸堿中和反應(yīng)化學(xué)能的同時，更可高效捕集環(huán)境中的低品位熱能，并將二者直接轉(zhuǎn)化為電能以驅(qū)動制氫反應(yīng)或輸出電能，熱力學(xué)效率高達1.7，遠優(yōu)于常規(guī)燃料電池如氫氧燃料電池（0.83）或肼燃料電池（1.0）等。利用低Pt陰極與NiCo陽極構(gòu)建的電化學(xué)中和能電池每制取1 m³ H₂，可輸出0.81 kWh電力。只需連接或斷開外部負載，即可按需自由切換發(fā)電或產(chǎn)氫模式，無需停止電解池運行或改變電解池構(gòu)造。產(chǎn)氫模式下，制氫速率最高可達70.1 mol h^–1 m^–2。在產(chǎn)氫或發(fā)電的同時，更可通過自發(fā)的離子交換過程實現(xiàn)高濃鹽水快速淡化，脫鹽速率高達56.1 mol h^–1 m^–2。進一步的基礎(chǔ)技術(shù)經(jīng)濟分析表明：當(dāng)使用工業(yè)酸堿廢水、鹵水等低品位水體作為原料時，此技術(shù)的制氫成本比可再生能源驅(qū)動的堿性電解水技術(shù)可降低70 – 80%，同時高效降解工業(yè)污染廢水。這一工作為發(fā)展低能耗、低排放、高生態(tài)可持續(xù)性的綠色制氫技術(shù)方法提供了新的思路。

圖1(a)電化學(xué)中和能電池的構(gòu)造示意圖；(b)電化學(xué)中和能電池與常規(guī)電解水技術(shù)的制氫能耗比較；(c)電化學(xué)中和能電池為智能手機充電；(d) 電化學(xué)中和能電池技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的制氫能耗與碳排放比較；(e)本技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)經(jīng)濟分析。

上述工作近期發(fā)表在化學(xué)領(lǐng)域一流國際學(xué)術(shù)期刊Angewandte Chemie International Edition（2022, DOI: 10.1002/anie.202203929），論文第一作者為精細化工國家重點實驗室、化工學(xué)院博士生孫富。工作得到了國家自然科學(xué)基金會、遼寧省科技廳、大連市科技局、大連理工大學(xué)的共同資助支持。

文獻詳情：

Fu Sun, Dongtong He, Kaizhou Yang, Jieshan Qiu, and Zhiyu Wang*. Hydrogen Production and Water Desalination with On-demand Electricity Output Enabled by Electrochemical Neutralization Chemistry,Angewandte Chemie International Edition, 2022, DOI: 10.1002/anie.202203929

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202203929