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導(dǎo)讀
背景 氫氣，在常溫常壓下，是一種極易燃燒，無色透明、無臭無味的氣體。它作為可以一種清潔高效的燃料使用。氫燃燒的產(chǎn)物是水，不會對環(huán)境造成任何污染。同時，氫燃燒的熱值高居各種燃料之冠，據(jù)測定，每千克氫燃燒放出的熱量為1.4*10^8J，為石油熱值的3倍多。 目前，氫燃料不僅在航空航天項(xiàng)目中用于推進(jìn)火箭，還可以用于新能源汽車，未來有望成為一種非常重要的可持續(xù)能源。如今，絕大多數(shù)的氫氣制備是通過一種稱為“甲烷水蒸氣重整”的工藝，從天然氣中提取出來，但缺點(diǎn)是它會同時釋放出二氧化碳。 然而，電解水也是產(chǎn)生氫氣的一種重要方法，而且不會生成二氧化碳。它將水（H2O）通過電流電解生成氧氣（O2）和可作為燃料的氫氣（H2）。電流通過水時，在陰極通過還原水形成氫氣；在陽極則通過氧化水形成氧氣，氫氣生成量大約是氧氣的兩倍。 （圖片來源：維基百科） 前不久，筆者介紹過美國哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院化學(xué)工程系助理教授 Daniel Esposito 的團(tuán)隊，采用太陽能光伏電池產(chǎn)生的電力進(jìn)行電解水，有望取代“甲烷水蒸氣重整”，成為制備氫燃料的下一代方法。 創(chuàng)新 近日，電解水制氫技術(shù)方面又有了新的突破。隸屬于韓國蔚山國立科技大學(xué)（UNIST）的聯(lián)合研究團(tuán)隊成功研制出混合固態(tài)電解槽（Hybrid-SOEC）系統(tǒng)。據(jù)報道，該系統(tǒng)在制氫方面具有極高的電化學(xué)性能。對于廉價且高效地制氫，這種受推薦的系統(tǒng)是一個新的有希望的選擇。因?yàn)橄啾扔谄渌娊庀到y(tǒng)來說，它的性能更加優(yōu)越，因此也備受各界關(guān)注。 UNIST 能源與化學(xué)工程學(xué)院的教授 Guntae Kim 與韓國能源研究所（KIER）教授 Tak-Hyoung Lim 以及淑明女子大學(xué)的教授 Jeeyoung Shin，合作領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)突破性研究。 （圖片來源：UNIST） 技術(shù) 固體氧化物電解槽（SOEC）由兩個電極和一種電解質(zhì)組成，它們?nèi)枪虘B(tài)的。它們被強(qiáng)烈推薦為制氫的一種新的候選方案，因?yàn)闊o需補(bǔ)充損失掉的電解質(zhì)，同時解決了腐蝕問題。除此之外，SOEC也可以工作在相對較高的溫度下（700-1000 °C），這樣也降低了電能損耗。 Kim 教授和他的研究團(tuán)隊正在尋找一種途徑，利用SOEC提高制氫的能量效率。在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊演示了一種基于混合離子的導(dǎo)電電解質(zhì)，讓電解水在氫氣電極和空氣電極上都能發(fā)生。 現(xiàn)有的SOEC電解質(zhì)只允許氫離子或者氧離子中的一種運(yùn)輸?shù)狡渌姌O。例如，SOEC電解質(zhì)運(yùn)輸氧離子，電解水發(fā)生于陽極，從而產(chǎn)生出氫氣；作為對比，SOEC電解質(zhì)運(yùn)輸氫離子，水電解發(fā)生于陰極，從而生產(chǎn)出氧氣。在這里，氫氣從電解質(zhì)傳輸?shù)疥枠O。 理論上來說，采用氫離子和氧離子都可以運(yùn)輸?shù)碾娊赓|(zhì)，能夠在電解槽的兩端，生產(chǎn)出兩種電解產(chǎn)品：氫氣和氧氣。這將極大提升氫氣生產(chǎn)率。在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊致力于控制電解質(zhì)的特性。 Kim 教授和他的研究團(tuán)隊報告了他們在開發(fā)基于混合離子導(dǎo)體的SOEC系統(tǒng)方面的新發(fā)現(xiàn)。這種混合離子導(dǎo)體可以同時傳輸氧離子和質(zhì)子，所以被稱為“Hybrid-SOEC”。 |
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