Angew. Chem. Int. Ed. : 堿-酸Zn-H2O燃料電池用于同時析氫產電

【引言】

電化學分解水制氫，由于其具有可原位/按需產生、能夠與可再生能源(太陽能，潮汐能，風能等即時能源)整合等多種優勢，是大規模制氫最具潛力的技術之一。在傳統的電解水制氫體系中，由于過電位的存在，需要施加遠高于1.23V的理論電壓才能實現電解水制氫，因此耗能很大。近些年來，有關電解水制氫的技術主要集中在將光/電耦合、開發高活性的析氫和析氧反應催化劑，利用有機物小分子(犧牲劑)氧化取代陽極氧析出反應等策略，以降低電解水制氫的成本。最近，研究人員提出了一種新概念Li-H₂O燃料電池，可同時制氫和產生電能。然而，該設計仍存在制氫效率低、鋰資源儲量低、有機電解液安全性、隔膜成本高、能量輸出低等問題。

【成果簡介】

近日，中科院海西研究院(福建物構所)溫珍海研究員(通訊作者)等提出了一種堿-酸Zn-H₂O燃料電池，該器件具有1.25 V的開路電壓，在產生電能的同時以近100%的法拉第效率進行制氫，并在Angew. Chem. Int. Ed.上發表了題為“Alkaline-Acid Zn-H₂O Fuel Cell for the Simultaneous Generation of Hydrogen and Electricity”的研究論文。通常情況下，酸堿中和反應的能量以熱能的形式釋放，而這些能量難以收集并加以利用。通過對中和反應的設計，使其以電化學方式反應，將電化學中和能(H⁺ + OH^- = H₂O, ΔG = -79 KJ mol^-1, E^θ = 0.828 V)收集并用于增大裝置的開路電壓，功率密度和能量密度。因此，該工作所構建的堿-酸雜化電池可從電化學中和反應和電化學鋅氧化兩條途徑同時獲得能量，功率密度可達到80 mW·cm^-2，能量密度為934 Wh·kg^-1，且能夠在10 mA·cm^-2電流密度、輸出電壓1.16 V下長期穩定的制氫。

【圖文簡介】

圖1 Zn-H₂O燃料電池示意圖

Zn-H₂O燃料電池示意圖，鋅片置于4.0 M NaOH溶液中，負載于碳布的Pt/CNTs負極置于2.0 M H₂SO₄中，以雙極膜分離。

圖2 Pt/CNTs的結構表征

a-c) Pt/CNTs的TEM圖像；

d) Pt/CNTs的XRD圖譜；

e) Pt/CNTs的XPS總譜；

f) Pt/CNTs的Pt 4f XPS譜圖。

圖3 Zn-H₂O燃料電池的電化學HER性能

a) Pt/CNTs、Pt/C和CNTs析氫反應的LSV曲線；

b) Pt/CNTs和Pt/C的塔菲爾斜率；

c) 10 mA·cm^-2電流密度下Pt/CNTs計時(14 h)電勢曲線(插圖：穩定性測試前后的LSV曲線)；

d) Zn-H₂O燃料電池的開路電壓曲線；

e) 10 mA·cm^-2放電電流密度下的析氫摩爾量和對應的工作電壓變化；

f) Zn-H₂O燃料電池的法拉第效率。

圖4 Zn-H₂O燃料電池的電池性能

a) Pt/CNT基Zn-H₂O燃料電池在5-20 mA·cm^-2電流密度下的計時電位響應；

b) Pt/CNT基Zn-H₂O燃料電池在5-20 mA·cm^-2電流密度下的電壓隨比容量的變化曲線；

c) Pt/CNT基Zn-H₂O燃料電池在5-20 mA·cm^-2電流密度下的比容量和能量密度；

d) 使用Pt/CNTs、Pt/C和CNTs的Zn-H₂O 燃料電池的極化曲線和功率密度曲線；

e) 使用Pt/CNTs、Pt/C和CNTs的Zn-H₂O 燃料電池在10 mA·cm^-2電流密度下的長期穩定性測試；

f) 兩組Pt/CNTs基Zn-H₂O燃料電池串聯點亮藍色LED燈的數碼照片。

【小結】

研究人員提出一種耦合負極析氫反應(HER)和鋅正極氧化反應的新型堿酸Zn-H₂O燃料電池。由于HER在多酸介質催化活性良好，加上不對稱電解液的精心設計，所構建的混合Zn-H₂O燃料電池可以同時生成氫氣和產生電能。因此，基于鋅、酸、堿的堿酸Zn-H₂O燃料電池具有原料儲量豐富、廉價、可回收等優勢，不僅制氫效率高，而且能以高功率密度和能量密度產生電能。上述策略和器件的優勢說明該方法在能量儲存和轉換領域存在巨大潛力，可能為應對能源需求的新型器件設計開辟一條新途徑。

【相關工作介紹】

近期，溫珍海研究員團隊開發了一種非對稱電解液Zn-air電池，該電池比傳統的電池有更高的開路電壓，更大的功率密度和能量密度(DOI: 10.1002/celc.201701269)。同時還發展了一種低成本高能量效率的電解槽系統，該系統采用雙電解液，析氧反應在堿性溶液中發生，析氫反應在酸性條件下發生，中間用雙極膜隔開，僅需施加0.79 V的電壓就能使水裂解， 在1.12V的電壓提供10 mA cm^-2的電流密度(DOI: 10.1039/C7TA10374C)；當用尿素氧化反應代替全解水中析氧反應時，該裝置實現電流密度為10mA cm^-2時所需施加的電壓進一步降低到0.83 V (DOI: 10.1039/C7CC09653D) 。

文獻鏈接： Alkaline-Acid Zn-H₂O Fuel Cell for the Simultaneous Generation of Hydrogen and Electricity (Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201712765)

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