氫氣是未來社會的重要能源載體之一，以清潔電能驅(qū)動的電解氫被認(rèn)為是實現(xiàn)制備“綠氫”的有效手段。當(dāng)前電解水制氫氣工藝面臨隔膜價格高、貴金屬催化劑資源短缺、氫氣存儲和運(yùn)輸成本高等挑戰(zhàn)。近年來，水解活潑金屬/化合物（例如NaBH4、Mg、Al）原位產(chǎn)氫氣技術(shù)受到廣泛關(guān)注，即將產(chǎn)氫和產(chǎn)氧兩個過程分開，有可能解決現(xiàn)有水電解制氫所面臨的挑戰(zhàn)。然而，活潑金屬/化合物的再生需要大量的能量輸入，并排放CO2和其他氣體（如CO、Cl2、CF4等），與綠氫的制備目標(biāo)背道而馳。
近日，武漢大學(xué)尹華意教授團(tuán)隊設(shè)計了一種利用鋅金屬驅(qū)動的“電解產(chǎn)鋅-水解產(chǎn)氫”雙功能電化學(xué)池。當(dāng)電能充足時，進(jìn)行電解產(chǎn)鋅，以黃銅為陰極、雷尼鎳為陽極、氫氧化鉀水溶液為電解質(zhì)，在陰極電沉積金屬鋅并在雷尼鎳陽極釋放氧氣，即將電能儲存到金屬鋅中。當(dāng)需要氫氣時，進(jìn)行水解產(chǎn)氫，水解產(chǎn)氫和電解在同一個電化學(xué)池中進(jìn)行，即將電解鋅和雷尼鎳電極構(gòu)建成一個Zn-H2O原電池，金屬鋅負(fù)極自發(fā)被氧化為鋅離子，雷尼鎳正極上產(chǎn)氫。整個過程鋅充當(dāng)儲能介質(zhì)，調(diào)控體系的能源儲存和制氫。該工作的核心是雷尼鎳在堿性介質(zhì)中具備優(yōu)良的催化析氧和析氫性能——在電解過程中降低了陽極的析氧電位，在產(chǎn)氫過程中將鋅的水解反應(yīng)解耦為鋅的腐蝕溶解和析氫兩個反應(yīng)，實現(xiàn)了Zn負(fù)極的連續(xù)快速溶解，解鎖了Zn-H2O原電池反應(yīng)動力學(xué)。
作者在240 cm2黃銅板上沉積得到了均勻的鋅金屬，沒有“死鋅”落入電解槽，50 mA cm-2 電流密度下電解槽電壓為2.047 V，庫倫效率可達(dá)98.3%，用于驅(qū)動氫氣生產(chǎn)的凈電壓為1.805 V（Zn-H2O原電池放電電壓為0.242 V），凈能量效率為65.5%，通過裝置優(yōu)化，整體能效可進(jìn)一步提高。兩步制氫具有相對較高的能量效率、高表面容量、無需貴金屬催化劑、無昂貴的膜，兼具制氫和儲氫能力的特點。最后，作者估算了24 Ah的Zn-H2O電池的電極和電解質(zhì)成本僅為1.184美元，整個系統(tǒng)僅消耗H2O，Zn在電解槽中被循環(huán)使用。 論文信息 Rechargeable Zn-H2O hydrolysis battery for hydrogen storage and production Muya Cai, Hao Shi, Yu Zhang, Jiakang Qu, Hongya Wang, Yanyang Guo, Kaifa Du, Wei Li, Bowen Deng, Dihua Wang, Huayi Yin 此工作的第一作者為武漢大學(xué)的博士生蔡牧涯。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202404025
