周海青:大电流密度下持久耐用的高性能全分解水反应电解槽

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近年来，传统能源（煤、石油）的过度开采与使用导致全球环境污染和气候变化等问题日益加剧，寻找新能源的呼声越来越高。氢能具有无碳污染和高能量密度等特点，被视为未来最有发展潜力的二次清洁能源。全球各种水资源储量丰富，利用水分解得到的氢燃料总能量大约是地球传统燃料热量的9000倍。显然，水分解制氢具有广阔的发展前景，有望替代传统制氢工艺，充分利用可再生清洁能源多余的电力，将其转化为可储存、运输的高纯氢燃料。然而，受限于生产成本和经济效益，这种工艺制取的氢气占比率低于5%，部分原因在于工业碱性电解槽所采用的镍基催化剂材料析氢、析氧活性一般，尤其是析氧过电位过高，导致全分解水反应电能损耗严重，产氢能量转换效率低（1.8伏传递200 mA/cm2），也由此促进电催化剂的快速发展。然而，在不考虑整个回路电阻压降的情况下，大多数碱性电解槽仍需要超过1.8伏的电压来传递水分解电流密度200 mA/cm2，逊色于工业电解槽的性能。更为重要的是，这些催化剂能否在高电流密度（≥500 mA/cm2）下持久进行产氢值得探究。

（a）网状交织的纳米棒阵列形貌图；（b）各种析氧催化剂在50 mA•cm-2下析氧过电位的比较；（c）该催化剂在高电流密度下析氧反应稳定性的测试；（d）两电极电解槽的构造图；（e）全分解水的反应性能；（f）全分解水反应在高电流密度500-1500 mA•cm-2下的持久耐用性能测试。

碱性环境下，析氧反应过电位过高仍然是全分解水反应能耗高的主要障碍。有鉴于此，湖南师范大学物理与电子科学学院的周海青博士与美国休斯敦大学的任志锋教授、陈硕教授课题组以及华中师范大学的余颖教授等人合作，从商业应用角度出发，借助机械搅拌法巧妙设计了一种快速合成高性能电解水析氧催化剂的工艺，制备出多孔、网络交织且表面非常粗糙的羟基氧化镍铁纳米棒阵列（图a）。该催化剂既具有高导电性、高比表面积，确保参与反应的电子和氢氧基团快速转移到催化剂表面，加速电解液的快速交换，同时又具有高本征催化活性，从而将析氧反应50 mA•cm-2的过电位降低到174毫伏（图b），实现了析氧反应在高电流密度500和1000 mA•cm-2下长时间稳定40小时左右（图c），解决了全分解水反应的主要障碍。通过与另一种电解水析氢催化剂结合（图d），作者率先将碱性环境下的全分解水反应电流密度500和1000 mA/cm-2的水分解电压分别降到1.586和1.657伏（图e），极大地提高了电解水制氢的能量转换效率，并且实现了在高电流密度500、1000和1500 mA•cm-2下持久稳定地进行全分解水反应40小时以上（图f）。基于优异的全分解水反应性能，该电解槽能够被热电元件、太阳能电板和AA电池驱动进行产氢反应。这一发现为使用各种不同的电力来源进行大规模电解水产氢奠定了基础。相关研究工作近期发表在Energy & Environmental Science 上，湖南师范大学物理与电子科学学院的周海青和余芳博士是文章的共同第一作者。

该论文作者为：Haiqing Zhou, Fang Yu, Qing Zhu, Jingying Sun, Fan Qin, Luo Yu, Jiming Bao, Ying Yu, Shuo Chen and Zhifeng Ren

Water splitting by electrolysis at high current densities under 1.6 volts

Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C8EE00927A