Nature子刊：氢氧分离电池部件中的光电化学水裂解

【引言】

利用太阳能或者风能电解水是一种提供可持续供应的氢能来驱动燃料电池汽车或者其他储氢动力的有效途径。氢气这种清洁能源大规模应用的巨大限制之一在于制氢的成本。这一问题有望通过光电化学（PEC）水裂解电池在太阳能的作用下将水直接裂解成氢气和氧气而得以解决。与传统水电解池相似的PEC水裂解电池结构只适宜富集碱性或者高分子电解质薄膜（PEM）电解槽中的氢气，并不适合分布式PEC电池里的析氢。较低的聚光密度导致PEC电池在氢气分离，富集和运输方面的安全性和经济型受到巨大的影响。

【成果简介】

以色列理工学院化学工程系的Gideon S. Grader课题组和材料科学与工程系的Avner Rothschild课题组合作实现了PEC电池系统里的析氢和析氧部分的分离，解决了裂解水过程中氢氧共生的问题。电池不同部分之间仅靠金属导线分离，能够保证对氢气有效地富集。设计的PEC结构中太阳能转换成氢气的效率可达7.5 %，在使用标准商业化部件，很容易突破10%。与商用光电化学体系相比，分离式PEC电池系统在制氢方面更加安全、廉价。

【图文导读】

图1 水电解池结构

a, 传统的碱性电解质水电解池。

b，a中用盐桥取代隔膜的电解池。

c，具有可溶性氧化还原媒介的新式PEM电解槽能够消除析氢和析氧之间的关联度。

d，碱性电解液中无隔膜的分离氢氧式电解池。阳极可以被光电阳极或者光电堆叠阳极取代，从而将电解池转换成直接把水和光能转换成氢燃料的PEC电池。

图2 在分离氢气和氧气电池中的双电池水电解循环

a, V_appl在电流为45mA (5mAcm^-2) 连续循环20 h的记录数据。

b，随着循环次数的增加，对循环时间的记录。测量条件为室温，1M NaOH溶液。

图3 配备有分布式PEC太阳能电池用以产氧和富集氢气的太阳能氢气转换站的图解

图4 分离氧气和氢气的太阳能水电解体系

独立部件的电流密度-电压(J-V)特性，PV模型（红色曲线），水电解系统（蓝色曲线），耦合PV-电解体系的操作点（绿色点）。红色X标记PV模型的能量极大值点。黑色点状线显示了与供应商参数相同模型基础的PV模型的J-V特性。插入部分为体系的结构示意图。

【小结】

以色列理工的研究团队们设计了一种部件分离式PEC裂解水电池，这种电池通过分离式部件的构造，实现了太阳光裂解水时的析氧和析氢过程分离，从而有效提高对氢气的负极，此外氧电极和氢电极之间的离子交换通过可逆的固态氧化还原反应完成，该过程的循环性良好。这一设计不仅适用于PEC电池，还可应用到电解池中。