AEM：用微纤维电极进行碱性水电解- 大数跨境

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AEM：用微纤维电极进行碱性水电解

科学材料站

2020-06-01

导读：本研究探讨纳米及微结构多孔电极在零间隙碱性水电解槽中如何提高产氢效率。并研究了泡沫镍电极、超细纤维毡和纳米线毡对碱性电解槽性能的影响。

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25 A cm⁻²电流下，用微纤维电极进行碱性水电解

单位：美国杜克大学

导读

可再生电力的产生是可变的，这导致了能源周期性的供过于求。多余的电能可以通过水电解转化为氢气，但目前转化成本太高。目前，降低电解成本的一个途径是提高电解槽的最大生产率。

针对上述现象，美国杜克大学的Benjamin J. Wiley等人在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Alkaline Water Electrolysis at 25Acm⁻² with a Microfibrous Flow-through Electrode”的文章。本文第一作者是Feichen Yang。

本研究探讨纳米及微结构多孔电极在零间隙碱性水电解槽中如何提高产氢效率。并研究了泡沫镍电极、超细纤维毡和纳米线毡对碱性电解槽性能的影响。尽管具有最高表面积的纳米线毡最初提供了最高的性能，但随着气泡被困在电极内，这种性能迅速下降。泡沫的开放结构有利于气泡的去除，但其较小的表面积限制了其最大性能。超细纤维毡表现出最好的性能，因为它平衡了高比表面积和去除气泡的能力。超细纤维毡在100小时内保持25 000mA cm⁻²的最大电流密度而不发生降解，这相当于制氢率分别比传统的质子交换膜和碱性电解槽高12.5倍和50倍。

背景简介

1.过剩发电量的水电解应用

风能和太阳能发电的可变性可能导致发电和负荷之间的不匹配，这就需要削减发电量。例如，2013年，风能发电量减少了约4%，美国只有4%的电力来自风能。加州独立系统运营商（CAISO）对可再生能源的削减从2015年的188千兆瓦增加到2018年的461千兆瓦，其中95%是太阳能。德克萨斯州电力可靠性委员会（ERCOT）对55%可再生能源的电网系统的分析表明，即使增加8.5千兆瓦的4小时电力储存，至少有11%的电力将被削减，建模显示，随着可再生能源在发电中所占份额的增加，在ERCOT系统中，削减量仍保持在8-10%。找到更多的方法来利用这一过剩的发电量对最大限度地提高可再生能源的环境和经济效益至关重要。

利用过剩的可再生能源的一个策略是用水电解法产生氢气，这种方法也被称为电-气法。氢气有许多潜在的用途，包括加热、制氨、金属精炼、转化为甲烷或液体燃料，或用于燃料电池汽车。非常大量的H₂可以相对便宜地储存在地下水库中，以解决可再生发电的季节性变化。最常见的两种水电解系统是碱性和质子交换膜（PEM）。碱性电解槽是最成熟的技术，其成本约为PEM电解槽的一半。另一方面，PEM电解槽提供的电流密度（600–2000mA cm⁻²）比碱性电解槽（200–450mA cm⁻²）高，使其更紧凑。

2.水电解碱式电解槽目前不足

在不征收二氧化碳排放税的情况下，对水电解法生产氢气可行性的技术经济评估表明，在当前市场条件下，水电解法生产氢气与甲烷蒸汽重整法相比，成本不具竞争力。因此，电解槽的商业应用目前仅限于小规模，工业应用的现场制氢，以及在电力过剩的偏远地区生产氨肥料的一些大型工厂。利用可再生发电的低成本、过剩电力的机会将有助于使水电解成本具有竞争力，但是，降低电解槽设备的成本也是必要的。降低电解槽成本并利用周期性的低电价的一种方法是增加此类设备可以生产的氢气量，即其生产力，而不降低其寿命。

气泡的形成目前限制了碱性电解槽的最大电流密度，从而限制了其生产效率。研究人员已经进行了多种尝试来解决气泡去除问题，包括电解质在电极表面的循环零间隙和其他先进电解槽结构的开发，磁场的应用，超声波场的应用，甚至重力场的修改。从材料科学家的角度来探讨这个问题，我们特别感兴趣的是电极可以进行改进以提高气泡去除率，同时保留较大的比表面积用于水电解。

关于电极结构对水电解效率的影响有大量的研究，但是很少有研究集中在电极结构对气泡去除和最大电流密度的影响上。对不同形貌的电沉积镍催化剂的研究表明，针状形貌的镍催化剂表面张力较低，有利于气泡的去除，具有较高的电流密度。三维多孔电极的研究将其高性能归因于其去除气泡的能力。然而，目前尚不清楚在不妨碍气泡去除的情况下，什么样的电极结构能够最大化电解的表面积。也还不清楚不同三维多孔电极结构的最大电流密度是多少。

核心内容

这项研究试图解决的问题是什么是理想的电极结构，使水电解的表面积最大化，同时促进在高电流密度下气泡的去除。采用零间隙流动电极几何结构，使电极之间的距离最小化，并使流动流体从多孔电极表面去除气泡的能力最大化。对泡沫镍多孔电极、超细纤维毡(MF)和纳米线毡(NW)进行了测试，研究了孔径与比表面积之间的折衷关系。

尽管NW毡的表面积是MF毡的1.34倍，但在电流密度为100ma cm^-2时，NW毡的过电位比MF毡高41mv。脉冲电解显示NW毛毡的过电位最初低于MF毛毡，但在1分钟内迅速升高，超过MF毛毡。同期电极的磁导率相应降低，说明气泡的夹带限制了NW毛毡的性能。NW毛毡中气泡的包封率越大，这是由于相对于气泡而言，孔喉长径比越大，孔喉尺寸越小。由于MF毡的比表面积较大，其性能也优于Ni泡沫。因此，MF毛毡代表了表面积和孔喉几何结构之间的最佳权衡，以去除气泡。

与传统的PEM和碱性水电解槽相比，MF毡的产氢率分别提高了1.7倍和6.7倍，能量效率为50%（基于较低的H₂热值）。MF毡在3.6v下的最大电流密度为25000ma-cm^-2，分别是PEM和碱性水电解槽电流密度的12.5倍和50倍。MF毡的较高生产率可以提高廉价、过剩可再生能源转化为H₂的经济性。

图1. 本研究中使用的流动单元图及微观形貌图

文章链接:

Alkaline Water Electrolysis at 25 A cm−2 with a Microfibrous Flow-through Electrode

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202001174

老师简介:

Benjamin J. Wiley 教授

Benjamin J. Wiley，杜克大学化学系副教授，机械工程与材料科学系副教授，能源计划网络成员。在Wiley研究组，通过控制溶液中原子的组装来制备新的纳米材料，并探索纳米材料在医药、催化、等离子体和电子设备。他们的目标是在纳米尺度上精确控制材料的尺寸、形状和组成，以探索这些参数如何影响非材料的基本性能，并经济地生产出这种纳米材料，以便应用于解决实际问题。

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