利用具有Grotthuss质子传导特性的高倍率电极用于无膜酸性分步电解水制氢气

研究背景

氢气具有高能量密度和清洁无害是最理想的能量载体。目前，酸性电解水制氢气因高制氢效率、可快速启停、设计紧凑、可适应快速变化的可再生能源电力输入等优点受到了广泛的关注。然而，析氢反应和析氧反应是同时进行的，需要质子交换膜来分隔产生的氢气和氧气，隔膜的使用不仅提高了电解成本也增加了体系内阻。析氧反应较析氢反应迟缓的动力学使析氧反应需要更高的过电位以匹配析氢反应速率，同时动力学差异也不利于波动性可再生能源的直接使用。此外，虽然有隔膜的存在，氢气氧气混合的问题并不能完全消除，催化剂和氢氧混合气的共存可能产生活性氧，造成膜的降解。因此开发氢气、氧气分步制备的无膜电解水体系具有重要的意义。

工作介绍

我们课题组利用具有Grotthuss 质子传导特性的CuFe-TBA电极作为氧化还原电对构建了无膜酸性分步电解水体系用于高纯氢气的制备。CuFe-TBA电极在分步电解水制氢气中展现了优异的倍率性能和充放电循环稳定性。相关的反应机制通过非原位XRD、XPS和电化学测试等确定。该体系不仅避免了质子交换膜的使用，而且有利于可再生能源向高纯氢能的转化和电力系统调峰。研究工作以“A High-Rate Electrode with Grotthuss Topochemistry for Membrane-Free Decoupled Acid Water Electrolysis”为题发表在国际期刊Adv. Energy Mater.上。

图1. 利用CuFe-TBA电极分步电解水制氢气示意图

Liang, S. K., Jiang, M. M., Luo, H. X., Ma, Y. Y., Yang, J. P., A High-Rate Electrode with Grotthuss Topochemistry for Membrane-Free Decoupled Acid Water Electrolysis. Adv. Energy Mater. 2021, 2102057. https://doi.org/10.1002/aenm.202102057