1. 首页
  2. 其他

Nature Energy:磁热效应”化疗”碱性水电解顽疾

Nature Energy:磁热效应"化疗"碱性水电解顽疾

本文亮点:

(1)磁加热用于碱性水电解;

(2)20mA/cm2电流密度下,析氧过电位降低200mV,析氢过电位降低100mV;

(3)析氧动力学的提升相当于把电池的温度升高至〜200°C(实际上仅升温5℃);

(4)未来,室温下可能会在平衡电压附近发生水分解。

 

化石能源的大量使用导致环境问题层出不穷,而氢能将是我们未来能源组合的重要部分。水电解可以通过氢的化学键储能。目前最先进的(高能量和高效率)水电解槽基于酸性质子交换膜(PEM),然而其电极材料为贵金属,成本高,耐久性不足,阻碍了其大规模商业化。相反,碱性水电解槽(AWE)可使用储量丰富的催化剂(例如镍),具有很好的经济效益;却面临低的工作电流密度以及中等能量效率。近年来通过对催化剂组分及形貌的精确调控,其在碱性媒介中的活性和稳定性显著提升,但其效率仍低于酸性质子交换膜电解槽。

提升电极的工作温度可以提升性能,但传统的加热系统无法避免整个电池的全局加热,从而增加了能量成本并降低了耐用性,电极材料和整个AWE电池腐蚀速率也加快。如果实现局部加热,就可以有效提升其能量效率。磁加热是磁性纳米颗粒(MNPs)在外部高频交变磁场作用下在颗粒周围局部强烈产热。目前主要用于癌症治疗,其释放的热量破坏癌细胞,且产热集中在MNPs周围局部。

受此启发,格勒诺布尔-阿尔卑斯大学Marian Chatenet教授和图卢兹大学Julian Carrey教授开创性地将磁加热技术应用于碱性水电解槽。采用镍包覆的碳化铁纳米颗粒作为催化剂,在高频交变磁场下产生局部加热效应;用于AWE流动电解池,在20mA/cm2电流密度下,析氧过电位降低了200mV、析氢过电位降低了100mV。这种析氧动力学的提升相当于把电池的温度升高至〜200°C,而实际上该电池温度只有5℃升高

Nature Energy:磁热效应"化疗"碱性水电解顽疾

图1 MNPs在AMF中局部加热提升水电解原理。a) 在产生AMF的线圈内工作的AWE电池的一般表示,电解池由可再生能源提供电力,电b) 电解AWE流动电池构建示意图

Nature Energy:磁热效应"化疗"碱性水电解顽疾

图2 FeC-Ni催化或非催化OER电极对AMF激发的响应。不同振幅AMF下1mg/cm2 FeC-Ni在35mA恒流测试OER 的a) 电极电势, b) 欧姆压降校正电极电势;c) 不同振幅AMF下非催化碳布在21mA电流时的相同测试

Nature Energy:磁热效应"化疗"碱性水电解顽疾

图3 不同振幅AMF下FeC-Ni催化电极HER和OER活性提升。1mg/cm2 FeC-Ni在1M KOH溶液中不同条件AMF下准静态电势a) HER, b) OER;c,d) 欧姆压降校正后相似测试

Nature Energy:磁热效应"化疗"碱性水电解顽疾

图4 48mT. AMF下碱性水电解电压的改善。电解池电压与电流密度关系a) 未经过欧姆压降校正, b) 经过欧姆压降校正

 

除水分解之外,这种局部且非常强烈磁电加热亦可用于其他电化学领域,如:电催化,加速化学反应(如氧气还原,小有机分子电氧化)和非贵金属电极上的选择性析氯(如处理压舱水等)。另外,制药污染物也可使用磁热催化剂作为“电化学焚化”,作为清洁水的有效手段。也许,磁热效应可以再火起来?

 

(ps:小编能力有限,不能完全表达作者意思,详细内容请阅读原文)

Christiane Niether, Stéphane Faure, Alexis Bordet, Jonathan Deseure, Marian Chatenet, Julian Carrey, Bruno Chaudret, Alain Rouet, Improved water electrolysis using magnetic heating of FeC–Ni core–shell nanoparticles, Nature Energy, 2018, DOI:10.1038/s41560-018-0132-1

本文由能源学人编辑energist发布整理,非特别说明为独家版权,转请注明出处:https://nyxr-home.com/14288.html

参考文献:

联系我们

15521390112

邮件:nyxrtg@163.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

QR code