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干电池驱动电解制氢气

已有 7373 次阅读 2014-8-22 20:23 |个人分类:氦气生物学|系统分类:海外观察


氢气是我们能想到的最干净的燃料,燃烧后产生水,燃烧不掉的氢气对环境没有任何危害,没有温室效应,这显然比其他任何燃料都更为理想。可惜的是,氢气不属于天然资源,必须用其他能量转化。其中最常见简单的方法是通过电解水制造氢气,不过电解制造氢气需要非常高的电流。电解水制造氢气需要比较高的电流,纯水导电性能比较差,因此多使用含有丰富电解质如氢氧化钠溶液,这种制造氢气的设备被称为碱液型氢气发生器。这种碱液型氢气发生器存在的主要缺点是碱液的腐蚀性强,容易出现冲液污染,对负载管路造成损害,在某些特殊情况下不适合应用,于是有人设计出电解纯水的纯水氢气发生器。为克服纯水高电阻问题,人们将两个电极距离尽量靠近,只用非常薄薄一层膜进行分离,本质上就是通过缩小距离减少水的电阻。尽管如此,这种纯水氢气发生器仍然需要比较高的电压和电流,无法用一般的干电池不能作为电源。另外一个问题是电极老化的问题,因为电解会产生非常强烈的氧化作用,一般的金属非常容易被氧化腐蚀导致电极被破坏,为克服这个问题,科学家被迫使用不容易被腐蚀的惰性金属如白金作为电极。但是白金的价格高昂,限制了这种技术的大规模使用。

最近美国斯坦福大学化学系Ming Gong等发明了一种更便宜的替代品,金属镍外包裹氧化镍,通过碳纳米管作为媒介,制作成新型电极。由于这种电极具有更理想的导电性能,即使使用1.5伏特的干电池作为电源就可以电解制造氢气。而且能让这种电极寿命从过去的数日提高到数周甚至数月,这一新技术将能大大节约电解制氢气的费用。

Active, stable and cost-effective electrocatalysts are a key to water splitting for hydrogen production through electrolysis or photoelectrochemistry. Here we report nanoscale nickel oxide/nickel heterostructures formed on carbon nanotube sidewalls as highly effective electrocatalysts for hydrogen evolution reaction with activity similar to platinum. Partially reduced nickel interfaced with nickel oxide results from thermal decomposition of nickel hydroxide precursors bonded to carbon nanotube sidewalls. The metal ion–carbon nanotube interactions impede complete reduction and Ostwald ripening of nickel species into the less hydrogen evolution reaction active pure nickel phase. A water electrolyzer that achieves ~20 mA cm−2 at a voltage of 1.5 V, and which may be operated by a single-cell alkaline battery, is fabricated using cheap, non-precious metal-based electrocatalysts.

这一研究今日发表在《自然材料》上(原始文献地址http://www.nature.com/ncomms/2014/140822/ncomms5695/full/ncomms5695.html)。

http://news.sciencemag.org/chemistry/2014/08/hydrogen-generator-runs-ordinary-aaa-battery



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