新一代电解槽有望省钱又持久

在新的电解槽中，改进的离子传导膜(右边的黄色膜)可以使水在没有昂贵催化剂的情况下产生氢气。资料来源:YU SEUNG KIM/ los Alamos国家实验室

目前，用于电解水的电解槽很贵，要么需要昂贵的催化剂，要么需要昂贵的金属外壳。本周，研究人员在《自然能源》上发表了一项研究，称他们已经生产出一种只需要廉价材料的电解池。

据《科学》杂志报道，200多年前，科学家就知道如何将水分解成H2和O2。因为产生的混合物会爆炸，现在最常见的方法是用厚的多孔塑料板将阳极和阴极分开。研究人员还使用更便宜的金属催化剂来加速反应，如镍和铁。

为了使水更好地传导离子，当今最常见的电解槽向水中添加高含量的氢氧化钾(KOH)。在阴极或阳极，水分子分解成氢和氢氧离子，氢氧离子与阴极的电子结合形成H2，氢氧离子通过膜扩散到阳极或阴极，在那里反应生成氧气和水。

洛斯阿拉莫斯国家实验室的美国化学家于升金说，因为氢氧化钾具有高度腐蚀性，工程师们必须使用昂贵的惰性金属如钛来制造电解池。

这一缺陷促使研究人员在20世纪60年代开发了一种被称为质子交换膜(PEM)的电解池技术。在该技术中，膜被设计成选择性地允许氢离子通过，并且质子交换膜催化剂不在电极上，而是固定在膜的两端。在该装置中，阳极侧的催化剂将水分子分解成氢+和氢氧-，它们立即与催化剂反应生成O2分子。氢离子通过膜迁移到阴极侧，阴极侧膜上的催化剂将氢离子转化为H2。

由于羟基不会在质子交换膜中迁移，电解槽不需要高碱性条件。在这种装置中，氢的产生速率通常是碱性装置的5倍。然而，这些膜也有它们自己的缺点:仍然需要一些昂贵的耐腐蚀金属来承受质子传导膜产生的酸性条件。他们还需要铂和铱制成的催化剂，这种催化剂既昂贵又稀有。"根本没有足够的贵金属来大规模生产氢气。"吉纳电化公司工程师徐辉说。

现在，金和他的同事以及华盛顿州立大学的研究人员说，他们已经结合了这两种方法的优点。开发的新装置创造了一个高碱性环境来促进水的分解，但它是通过在离子导电膜的相对表面附着一种催化剂来实现的。

像氢氧化钾一样，阴极侧的催化剂将水分子分解成氢和氢氧化物，前者分解成H2，后者通过阴离子交换膜。新装置的设计目标是创造一个高碱性的局部环境，加速氢氧*基向阳极侧的运动，并在催化剂的作用下反应生成氧气。

设备膜附近的碱性条件允许电解槽通过廉价且丰富的镍、铁和钼基催化剂分解水。由于碱度是局部的，电解槽可以由不锈钢制成。Kim和他的同事报告说，这种新设备产生氢气的速度是传统碱性设备的三倍，但仍然比商用质子交换膜电解槽慢。"结合旧的碱性技术和膜质子交换膜技术是我们前进的方向."许慧说。

新设备需要证明其耐用性。初步迹象表明，膜在运行约10小时后开始损坏。金说，主要的问题可能是聚合物薄膜容易吸水，并可能导致催化剂颗粒脱落和随时间漂移。作为回应，研究小组希望在膜中添加氟来防止水。

金希望AEM电解器能够通过维修加入太阳能电池和风车的行列，成为实现无碳世界的关键技术。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41560-020-0577-x