Decoupled supercapacitive electrolyzer for membrane-free water splitting  

用于無(wú)膜水分解的解耦式超級(jí)電容電解槽  

來(lái)源：Toledo-Carrillo et al., Sci. Adv. 10, eadi3180 (2024) 6 March 2024

科學(xué)進(jìn)展  

 

摘要內(nèi)容：  

提出了一種基于地球豐富材料的混合無(wú)膜電解槽，通過(guò)結(jié)合電解槽的電催化反應(yīng)與電容存儲(chǔ)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)酸/堿介質(zhì)中解耦制氫。該設(shè)計(jì)使氫氧氣體時(shí)空分離，在10 mA/cm2電流密度下實(shí)現(xiàn)69%能量效率（48 kWh/kg），使用鈷鐵磷化物雙功能催化劑在100 mA/cm2時(shí)法拉第效率達(dá)99%。堿性條件下穩(wěn)定運(yùn)行20小時(shí)無(wú)電極降解。  

 

研究目的：  

開(kāi)發(fā)一種無(wú)需隔膜、能適應(yīng)可再生能源波動(dòng)、避免氫氧混合風(fēng)險(xiǎn)的水電解技術(shù)，降低綠氫生產(chǎn)成本。  

 

研究思路：  

設(shè)計(jì)超級(jí)電容電解槽（SCE）：將雙功能電催化劑（如CoFeP）與電容電極（活性炭布ACC）結(jié)合，利用電容充放電機(jī)制分離產(chǎn)氫/氧步驟。  

 

機(jī)理：充電階段—陰極室發(fā)生HER產(chǎn)氫，陽(yáng)極室發(fā)生OER產(chǎn)氧；放電階段—電極反應(yīng)反轉(zhuǎn)，通過(guò)電容吸附/脫附離子實(shí)現(xiàn)反應(yīng)解耦。  

 

驗(yàn)證：在酸/堿介質(zhì)測(cè)試Pt/C體系驗(yàn)證概念，優(yōu)化為CoFeP雙功能催化劑提升性能。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義（對(duì)應(yīng)圖表）：  

氣體分離效果（Fig.1G, Fig.4C）  

 

 

 

使用丹麥Unisense微傳感器監(jiān)測(cè)溶解氫/氧濃度，證實(shí)充電階段陰極室僅產(chǎn)氫（氧濃度不變），驗(yàn)證時(shí)空解耦有效性。  

 

意義：直接證明無(wú)膜條件下安全分離氣體的可行性，避免爆炸風(fēng)險(xiǎn)。  

電催化性能（Fig.2D-I）  

 

 

CoFeP的HER過(guò)電位（10 mA/cm2: 205 mV）和OER過(guò)電位（10 mA/cm2: 210 mV），Tafel斜率（HER: 60 mV/dec, OER: 31 mV/dec）。  

 

意義：雙功能催化劑活性是降低能耗的關(guān)鍵。  

電容特性（Fig.3C-D）  

 

 

ACC電極比電容（0.25 A/g: 169 F/g）及倍率性能（10 A/g: 97.5 F/g）。  

 

意義：電容電極的快速充放電能力支撐反應(yīng)解耦的循環(huán)穩(wěn)定性。  

系統(tǒng)能耗與穩(wěn)定性（Fig.4A,D）  

 

單電池電壓（10 mA/cm2: 1.85 V），20小時(shí)循環(huán)穩(wěn)定性（5 M KOH, 20 mA/cm2）。  

 

意義：69%能量效率（48 kWh/kg）接近商業(yè)電解槽，無(wú)膜設(shè)計(jì)具成本優(yōu)勢(shì)。  

電壓組成（Fig.4E）  

 

等效電壓分解：歐姆損耗（3.55 Ω/cm2）占比較大，動(dòng)力學(xué)損耗主要來(lái)自O(shè)ER。  

 

意義：指明優(yōu)化方向（提升電極導(dǎo)電性/開(kāi)發(fā)高效OER催化劑）。  

 

結(jié)論：  

成功開(kāi)發(fā)無(wú)膜解耦電解槽，通過(guò)電容機(jī)制實(shí)現(xiàn)氫氧時(shí)空分離，適應(yīng)酸/堿環(huán)境。  

 

CoFeP雙功能催化劑在100 mA/cm2下法拉第效率達(dá)99%，堿性條件穩(wěn)定運(yùn)行20小時(shí)。  

 

系統(tǒng)能耗48 kWh/kg（10 mA/cm2），通過(guò)降低歐姆損耗和優(yōu)化催化劑可進(jìn)一步提升效率。  

 

設(shè)計(jì)兼容波動(dòng)能源輸入，為可再生能源制氫提供安全、低成本的解決方案。  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義：  

原位驗(yàn)證氣體分離純度：通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電解液中溶解氫/氧濃度，直接證實(shí)充電階段陰極區(qū)僅產(chǎn)生氫氣（溶解H?持續(xù)上升，O?無(wú)變化），為無(wú)膜設(shè)計(jì)的安全性提供關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)。  

 

檢測(cè)微量氣體交叉：高靈敏度傳感器可識(shí)別ppb級(jí)氣體滲透，證明閥門(mén)切換策略能有效阻止氣體混合（氧濃度波動(dòng)可忽略），確保產(chǎn)物純度>99%。  

 

指導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化：溶解氣體動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)揭示初始10秒存在過(guò)渡態(tài)（法拉第效率91%→99%），提示電極極化過(guò)程需進(jìn)一步優(yōu)化以減少啟動(dòng)損耗。