近日, 中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所環境與能源納米材料中心的研究人員, 以尿素氧化降解反應 (Urea Oxidation Reaction, UOR) 取代高過電位的氧氣析出反應 (Oxygen Evolution Reaction, OER) 為思路, 設計並研製出了新型節能的可充電鋅-空氣電池; 同時, 基於該思路發展了增強電催化電解水產氫技術. 這為新型節能金屬-空氣電池器件的設計和清潔氫能源的開發利用提供了新思路. 相關研究成果發表在Electrochimica Acta和Chemical Communications上.
設計與研製新型, 高效, 環保的能源器件和技術, 如金屬鋅-空電池, 燃料電池, 電催化分解水產氫等, 是實現先進可持續清潔能源技術發展的重要研究內容之一. 為了實現這些新型能源器件與技術的實用化和商業化, 研究人員致力於發展各種高效電催化劑材料, 進而增加電池器件 (如燃料電池, 鋅-空電池) 的性能或降低電催化分解水產氫的電壓, 從而有效提高電化學能量儲存與轉換效率. 非貴金屬電催化劑 (過渡金屬基催化劑, 碳基催化劑等) 的設計和開發利用取得顯著成果, 但其過高的電催化氧氣析出反應(OER)過電位及其緩慢的動力學反應過程, 嚴重製約可充電空氣電池技術和電解水制氫能源技術的發展. 研究發現, 相對於不斷追求設計高效OER電催化劑的思路, 利用另一種更高效且環保的氧化反應 (例如尿素氧化反應UOR) 來取代低效率的氧析出反應是新的發展思路.
鑒於此, 研究人員設計並製備出了多功能Mn-Ni(OH)2/CFC催化劑材料, 將其組裝成可充電的金屬-鋅空氣電池. 通過對比發現, 利用UOR取代OER實現的鋅-空電池器件, 在充電過程中可有效降低鋅-空電池的充電電壓(約0.3V), 因此節約能耗12-21%. 將研製的高效Ni2P/CFC催化劑應用到電催化分解水產氫研究, 發現利用UOR取代OER後, 降低了兩電極電解水的電壓 (約0.2V) ; 利用人體尿液作為電解質可實現電解水高效產氫, 電解水產氫的起始電位遠低於目前報道的高效OER基電解水制氫的電壓, 僅需1.33V. 以上研究結果為設計和發展高效電化學相關能源器件與技術提供了新思路, 展示出實際應用價值.
上述研究得到了國家自然科學基金, 中科院百人計劃及中科院國際創新團隊等的資助.
圖1.(1)可充電鋅-空電池示意圖及該新型鋅-空電池的充放電性能曲線; (2)電解尿素體系產氫氣示意圖及Ni2P/CFC電極在 '有尿素' 和 '無尿素' 的兩電極體系下的線性掃描曲線.
