Decoupled supercapacitive electrolyzer for membrane-free water splitting  

用于無膜水分解的解耦式超級電容電解槽  

來源：Toledo-Carrillo et al., Sci. Adv. 10, eadi3180 (2024) 6 March 2024

科學進展  

 

摘要內(nèi)容：  

提出了一種基于地球豐富材料的混合無膜電解槽，通過結(jié)合電解槽的電催化反應與電容存儲機制，實現(xiàn)酸/堿介質(zhì)中解耦制氫。該設(shè)計使氫氧氣體時空分離，在10 mA/cm2電流密度下實現(xiàn)69%能量效率（48 kWh/kg），使用鈷鐵磷化物雙功能催化劑在100 mA/cm2時法拉第效率達99%。堿性條件下穩(wěn)定運行20小時無電極降解。  

 

研究目的：  

開發(fā)一種無需隔膜、能適應可再生能源波動、避免氫氧混合風險的水電解技術(shù)，降低綠氫生產(chǎn)成本。  

 

研究思路：  

設(shè)計超級電容電解槽（SCE）：將雙功能電催化劑（如CoFeP）與電容電極（活性炭布ACC）結(jié)合，利用電容充放電機制分離產(chǎn)氫/氧步驟。  

 

機理：充電階段—陰極室發(fā)生HER產(chǎn)氫，陽極室發(fā)生OER產(chǎn)氧；放電階段—電極反應反轉(zhuǎn)，通過電容吸附/脫附離子實現(xiàn)反應解耦。  

 

驗證：在酸/堿介質(zhì)測試Pt/C體系驗證概念，優(yōu)化為CoFeP雙功能催化劑提升性能。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義（對應圖表）：  

氣體分離效果（Fig.1G, Fig.4C）  

 

 

 

使用丹麥Unisense微傳感器監(jiān)測溶解氫/氧濃度，證實充電階段陰極室僅產(chǎn)氫（氧濃度不變），驗證時空解耦有效性。  

 

意義：直接證明無膜條件下安全分離氣體的可行性，避免爆炸風險。  

電催化性能（Fig.2D-I）  

 

 

CoFeP的HER過電位（10 mA/cm2: 205 mV）和OER過電位（10 mA/cm2: 210 mV），Tafel斜率（HER: 60 mV/dec, OER: 31 mV/dec）。  

 

意義：雙功能催化劑活性是降低能耗的關(guān)鍵。  

電容特性（Fig.3C-D）  

 

 

ACC電極比電容（0.25 A/g: 169 F/g）及倍率性能（10 A/g: 97.5 F/g）。  

 

意義：電容電極的快速充放電能力支撐反應解耦的循環(huán)穩(wěn)定性。  

系統(tǒng)能耗與穩(wěn)定性（Fig.4A,D）  

 

單電池電壓（10 mA/cm2: 1.85 V），20小時循環(huán)穩(wěn)定性（5 M KOH, 20 mA/cm2）。  

 

意義：69%能量效率（48 kWh/kg）接近商業(yè)電解槽，無膜設(shè)計具成本優(yōu)勢。  

電壓組成（Fig.4E）  

 

等效電壓分解：歐姆損耗（3.55 Ω/cm2）占比較大，動力學損耗主要來自O(shè)ER。  

 

意義：指明優(yōu)化方向（提升電極導電性/開發(fā)高效OER催化劑）。  

 

結(jié)論：  

成功開發(fā)無膜解耦電解槽，通過電容機制實現(xiàn)氫氧時空分離，適應酸/堿環(huán)境。  

 

CoFeP雙功能催化劑在100 mA/cm2下法拉第效率達99%，堿性條件穩(wěn)定運行20小時。  

 

系統(tǒng)能耗48 kWh/kg（10 mA/cm2），通過降低歐姆損耗和優(yōu)化催化劑可進一步提升效率。  

 

設(shè)計兼容波動能源輸入，為可再生能源制氫提供安全、低成本的解決方案。  

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的詳細研究意義：  

原位驗證氣體分離純度：通過實時監(jiān)測電解液中溶解氫/氧濃度，直接證實充電階段陰極區(qū)僅產(chǎn)生氫氣（溶解H?持續(xù)上升，O?無變化），為無膜設(shè)計的安全性提供關(guān)鍵實驗證據(jù)。  

 

檢測微量氣體交叉：高靈敏度傳感器可識別ppb級氣體滲透，證明閥門切換策略能有效阻止氣體混合（氧濃度波動可忽略），確保產(chǎn)物純度>99%。  

 

指導系統(tǒng)優(yōu)化：溶解氣體動態(tài)數(shù)據(jù)揭示初始10秒存在過渡態(tài)（法拉第效率91%→99%），提示電極極化過程需進一步優(yōu)化以減少啟動損耗。