董德华教授、叶正茂教授、邵宗平教授， CEJ观点：生物乙醇辅助电解水技术用于可再生能源制氢- 大数跨境

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董德华教授、叶正茂教授、邵宗平教授， CEJ观点：生物乙醇辅助电解水技术用于可再生能源制氢

科学材料站

2022-01-21

导读：该文章首次展示了乙醇辅助的高温电解水制氢，利用新型的SOEC反应器实现高效稳定的纯可再生能源电解水制氢。

文章信息

高温乙醇辅助电解水用于高效制氢

第一作者：刘方升

通讯作者：董德华*，叶正茂*，邵宗平*

单位：济南大学，南京工业大学

研究背景

氢能将在实现“双碳”目标中起到重要作用，然而现在氢气生产还主要依赖于化石能源，比如天然气重整制氢。利用可再生电能（太阳能和风能发电）进行电解水制氢，可以实现绿氢生产。

高温电解能够从热力学上加快氢气生产，使用生物乙醇辅助电解既可以降低电解电耗，又可以实现生物质能源的存储。相比于传统乙醇蒸汽重整制氢，乙醇电化学重整可以实现热中性操作，甚至产热，避免传统重整过程消耗大量热量，而且一步得到纯氢，避免了氢分离过程，简化工艺。

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文章简介

基于此，来自济南大学的董德华教授和叶正茂教授与南京工业大学的邵宗平教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Elevated-temperature bio-ethanol-assisted water electrolysis for efficient hydrogen production”的文章。

该文章首次展示了乙醇辅助的高温电解水制氢，利用新型的SOEC反应器实现高效稳定的纯可再生能源电解水制氢。

图1. 基于SOEC反应器的可再生能源高效制氢。

本文要点

要点一：构筑结构稳定的准对称Ni基电极SOEC反应器

乙醇辅助电解水可以使用成熟的Ni基电极作为阴极和阳极，形成Ni基对称电极结构，鉴于三层材料的化学相容性和高温稳定性，该结构可以实现电池三层结构的一步共烧制备，既简化了制备过程，又在共烧中形成稳定界面结构，对于实现大电流下电解水快速制氢具有重要意义。

同时，两个电极的结构有所不同，作为支撑体的阳极拥有很多平行排列的树枝状微通道，通过在微通道中加载催化剂形成催化剂床，实现乙醇在阳极的内重整，加快乙醇在阳极的氧化速率，提高电解水制氢速率。

和传统两步烧结电池（支撑阳极和电解质共烧+阴极烧结）相比，三层共烧形成的界面结合力强，显著减少了电池电阻，特别是电极极化电阻，在1.3 V下，电解电流密度增加77.4%。更为重要的是，高电流下的电解稳定性大大提高，在3.0和4.0 A/cm2下未发现衰减，而传统烧结制备的电池电解中衰减明显。

图2. 准对称Ni基电极SOEC反应器的制备过程。

图3. Ni基电极SOEC的新型三层共烧制备和传统制备方法的比较。

要点二：SOEC阳极支撑体内重整反应器

采用改进相转变法制备Ni基阳极支撑体，絮凝剂和溶剂之间的对流形成树枝状孔道结构。树枝状孔道沿着支撑体截面方向排列。采用静电纺丝制备Ni/Al₂O₃-CeO₂纤维状催化剂，将纤维催化剂加载到微通道中形成催化剂床，构建的微重整反应器提高了乙醇在阳极内的转化率，重整产生的合成气加速阳极电化学氧化反应，微重整反应器提高电解电流密度约50%。而且，催化剂床的高效重整有效抑制了乙醇重整在阳极中的积碳，提高了电解稳定性。

图4. Ni/Al₂O₃-CeO₂纤维状催化剂装载到SOEC阳极支撑体树枝状孔道中构建微重整反应器。

图5. 微重整反应器对乙醇辅助电解水电池性能的影响：a)，电极极化曲线；b)，阳极尾气成分；c)，乙醇转化率；d)，电解稳定性。1），有催化剂床的微重整反应器；2），无微重整反应器。

要点三：高电流下的电解稳定性

微重整反应器有效抑制乙醇重整中的积碳行为；三层共烧形成结合力强的电极/电解质界面。这些优点确保乙醇辅助电解高电流下的稳定性。本研究构建的新型SOEC实现3.0 A/cm2下的稳定电解209 h，这是文献报道最高电流下稳定电解，电池总电阻在电解中保持稳定。

图6. 高电流下乙醇辅助电解的稳定性。

要点四：前瞻

采用准对称Ni基SOEC构建结构稳定的电池，利用新型阳极支撑体结构构筑阳极内重整反应器，达到稳定的乙醇辅助电解水制氢。新型SOEC实现高效稳定的可再生能源制氢，也可以用于其他电化学能源转化过程，提高能量转化效率。

文章链接

Elevated-temperature bio-ethanol-assisted water electrolysis for efficient hydrogen production

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722002078

通讯作者简介

董德华 教授

2007年博士毕业于中国科学技术大学，在澳大利亚莫纳什大学和科廷大学从博士后、研究员和高级研究员工作近10年。2016年加入济南大学，现为济南大学材料学院教授和先进功能陶瓷研究所所长。长期从事陶瓷基能源材料研究，包括固体氧化物电池，气体分离膜和甲烷重整催化。至今已发表论文100余篇，H指数为31。

叶正茂 教授

济南大学材料学院教授，博士生导师。长期从事无机非金属材料的研究，包括无机胶凝材料、晶体材料以及CO2综合利用等。至今已发表论文80余篇，专利20余件。

邵宗平 教授

南京工业大学化工学院，材料化学工程国家重点实验室教授，博士生导师。“国家百千万人才工程”有突出贡献的青年专家、长江学者、国家杰青、万人计划。已在 Nature、Nature Energy、Nature Communications、Science Advances 等国际期刊发表 SCI 论文 600 余篇；论文总共被引用 28700 余次，h-index=80。主要从事燃料电池、太阳能电池、光催化、电催化、锂/钠离子电池、水处理等领域的研究。