Angew. Chem. Int. Ed. : 碱-酸Zn-H2O燃料电池用于同时析氢产电

【引言】

电化学分解水制氢，由于其具有可原位/按需产生、能够与可再生能源(太阳能，潮汐能，风能等即时能源)整合等多种优势，是大规模制氢最具潜力的技术之一。在传统的电解水制氢体系中，由于过电位的存在，需要施加远高于1.23V的理论电压才能实现电解水制氢，因此耗能很大。近些年来，有关电解水制氢的技术主要集中在将光/电耦合、开发高活性的析氢和析氧反应催化剂，利用有机物小分子(牺牲剂)氧化取代阳极氧析出反应等策略，以降低电解水制氢的成本。最近，研究人员提出了一种新概念Li-H₂O燃料电池，可同时制氢和产生电能。然而，该设计仍存在制氢效率低、锂资源储量低、有机电解液安全性、隔膜成本高、能量输出低等问题。

【成果简介】

近日，中科院海西研究院(福建物构所)温珍海研究员(通讯作者)等提出了一种碱-酸Zn-H₂O燃料电池，该器件具有1.25 V的开路电压，在产生电能的同时以近100%的法拉第效率进行制氢，并在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了题为“Alkaline-Acid Zn-H₂O Fuel Cell for the Simultaneous Generation of Hydrogen and Electricity”的研究论文。通常情况下，酸碱中和反应的能量以热能的形式释放，而这些能量难以收集并加以利用。通过对中和反应的设计，使其以电化学方式反应，将电化学中和能(H⁺+ OH^-= H₂O, ΔG = -79 KJ mol^-1, E^θ= 0.828 V)收集并用于增大装置的开路电压，功率密度和能量密度。因此，该工作所构建的碱-酸杂化电池可从电化学中和反应和电化学锌氧化两条途径同时获得能量，功率密度可达到80 mW·cm^-2，能量密度为934 Wh·kg^-1，且能够在10 mA·cm^-2电流密度、输出电压1.16 V下长期稳定的制氢。

【图文简介】

图1 Zn-H₂O燃料电池示意图

Zn-H₂O燃料电池示意图，锌片置于4.0 M NaOH溶液中，负载于碳布的Pt/CNTs负极置于2.0 M H₂SO₄中，以双极膜分离。

图2 Pt/CNTs的结构表征

a-c) Pt/CNTs的TEM图像；

d) Pt/CNTs的XRD图谱；

e) Pt/CNTs的XPS总谱；

f) Pt/CNTs的Pt 4f XPS谱图。

图3 Zn-H₂O燃料电池的电化学HER性能

a) Pt/CNTs、Pt/C和CNTs析氢反应的LSV曲线；

b) Pt/CNTs和Pt/C的塔菲尔斜率；

c) 10 mA·cm^-2电流密度下Pt/CNTs计时(14 h)电势曲线(插图：稳定性测试前后的LSV曲线)；

d) Zn-H₂O燃料电池的开路电压曲线；

e) 10 mA·cm^-2放电电流密度下的析氢摩尔量和对应的工作电压变化；

f) Zn-H₂O燃料电池的法拉第效率。

图4 Zn-H₂O燃料电池的电池性能

a) Pt/CNT基Zn-H₂O燃料电池在5-20 mA·cm^-2电流密度下的计时电位响应；

b) Pt/CNT基Zn-H₂O燃料电池在5-20 mA·cm^-2电流密度下的电压随比容量的变化曲线；

c) Pt/CNT基Zn-H₂O燃料电池在5-20 mA·cm^-2电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 燃料电池的极化曲线和功率密度曲线；

e) 使用Pt/CNTs、Pt/C和CNTs的Zn-H₂O 燃料电池在10 mA·cm^-2电流密度下的长期稳定性测试；

f) 两组Pt/CNTs基Zn-H₂O燃料电池串联点亮蓝色LED灯的数码照片。

【小结】

研究人员提出一种耦合负极析氢反应(HER)和锌正极氧化反应的新型碱酸Zn-H₂O燃料电池。由于HER在多酸介质催化活性良好，加上不对称电解液的精心设计，所构建的混合Zn-H₂O燃料电池可以同时生成氢气和产生电能。因此，基于锌、酸、碱的碱酸Zn-H₂O燃料电池具有原料储量丰富、廉价、可回收等优势，不仅制氢效率高，而且能以高功率密度和能量密度产生电能。上述策略和器件的优势说明该方法在能量储存和转换领域存在巨大潜力，可能为应对能源需求的新型器件设计开辟一条新途径。

【相关工作介绍】

近期，温珍海研究员团队开发了一种非对称电解液Zn-air电池，该电池比传统的电池有更高的开路电压，更大的功率密度和能量密度(DOI:10.1002/celc.201701269)。同时还发展了一种低成本高能量效率的电解槽系统，该系统采用双电解液，析氧反应在碱性溶液中发生，析氢反应在酸性条件下发生，中间用双极膜隔开，仅需施加0.79 V的电压就能使水裂解， 在1.12V的电压提供10 mA cm^-2的电流密度(DOI:10.1039/C7TA10374C)；当用尿素氧化反应代替全解水中析氧反应时，该装置实现电流密度为10mA cm^-2时所需施加的电压进一步降低到0.83 V (DOI:10.1039/C7CC09653D) 。

文献链接：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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