电解水制氢新方法诞生：效率提升四倍以上！
导读
近日，隶属于韩国蔚山国立科技大学的联合研究团队成功研制出混合固态电解槽（Hybrid-SOEC）系统。据报道，该系统在制氢方面具有极高的电化学性能。对于廉价且高效地制氢，这种受推荐的系统是一个新的有希望的选择。
背景
氢气，在常温常压下，是一种极易燃烧，无色透明、无臭无味的气体。它作为可以一种清洁高效的燃料使用。氢燃烧的产物是水，不会对环境造成任何污染。同时，氢燃烧的热值高居各种燃料之冠，据测定，每千克氢燃烧放出的热量为1.4*10^8J，为石油热值的3倍多。
目前，氢燃料不仅在航空航天项目中用于推进火箭，还可以用于新能源汽车，未来有望成为一种非常重要的可持续能源。如今，绝大多数的氢气制备是通过一种称为“甲烷水蒸气重整”的工艺，从天然气中提取出来，但缺点是它会同时释放出二氧化碳。
然而，电解水也是产生氢气的一种重要方法，而且不会生成二氧化碳。它将水（H2O）通过电流电解生成氧气（O2）和可作为燃料的氢气（H2）。电流通过水时，在阴极通过还原水形成氢气；在阳极则通过氧化水形成氧气，氢气生成量大约是氧气的两倍。
（图片来源：维基百科）
前不久，笔者介绍过美国哥伦比亚大学工程学院化学工程系助理教授 Daniel Esposito 的团队，采用太阳能光伏电池产生的电力进行电解水，有望取代“甲烷水蒸气重整”，成为制备氢燃料的下一代方法。
创新
近日，电解水制氢技术方面又有了新的突破。隶属于韩国蔚山国立科技大学（UNIST）的联合研究团队成功研制出混合固态电解槽（Hybrid-SOEC）系统。据报道，该系统在制氢方面具有极高的电化学性能。对于廉价且高效地制氢，这种受推荐的系统是一个新的有希望的选择。因为相比于其他水电解系统来说，它的性能更加优越，因此也备受各界关注。
UNIST 能源与化学工程学院的教授 Guntae Kim 与韩国能源研究所（KIER）教授 Tak-Hyoung Lim 以及淑明女子大学的教授 Jeeyoung Shin，合作领导了这项突破性研究。
（图片来源：UNIST）
技术
固体氧化物电解槽（SOEC）由两个电极和一种电解质组成，它们全是固态的。它们被强烈推荐为制氢的一种新的候选方案，因为无需补充损失掉的电解质，同时解决了腐蚀问题。除此之外，SOEC也可以工作在相对较高的温度下（700-1000 °C），这样也降低了电能损耗。
Kim 教授和他的研究团队正在寻找一种途径，利用SOEC提高制氢的能量效率。在这项研究中，研究团队演示了一种基于混合离子的导电电解质，让电解水在氢气电极和空气电极上都能发生。
现有的SOEC电解质只允许氢离子或者氧离子中的一种运输到其他电极。例如，SOEC电解质运输氧离子，电解水发生于阳极，从而产生出氢气；作为对比，SOEC电解质运输氢离子，水电解发生于阴极，从而生产出氧气。在这里，氢气从电解质传输到阳极。
理论上来说，采用氢离子和氧离子都可以运输的电解质，能够在电解槽的两端，生产出两种电解产品：氢气和氧气。这将极大提升氢气生产率。在这项研究中，研究团队致力于控制电解质的特性。
Kim 教授和他的研究团队报告了他们在开发基于混合离子导体的SOEC系统方面的新发现。这种混合离子导体可以同时传输氧离子和质子，所以被称为“Hybrid-SOEC”。
（图片来源：UNIST）
与文献中报道的其他SOEC系统和具有代表性的水基装置相比，这种受推荐的系统在生产氢气方面，需要更少的电力，同时具备卓越的电化学性能和稳定性。更进一步说，混合的SOEC系统的性能，在运行超过60小时后，不会出现可以观察得到的退化，因此表明它在制氢方面是一个鲁棒的系统。
价值
论文的首作者、能源和化学工程系博士生 Junyoung Kim 表示：“通过控制氢离子导电电解质的运输环境，实现了一种可以让两种离子通过的‘混合离子导电电解质’。在首次引入这种电解质的混合SOEC系统中，两个电极上都会发生电解水，从而显著提升了总的氢气产量。
混合SOEC的电极采用了具有卓越电化学性能的层状钙钛矿。通过在混合离子导电电解质中添加一种卓越的电极材料，将提升电化学性能。因此，在电解槽电压达1.5V和温度达700 °C的条件下，相应的氢气产量为每小时1.9 L。该系统的氢气生产效率是现有的水电解槽系统的4倍以上。
最后，让我们再看一下SOEC系统的经济价值。如下图所示：通过下一代可再生能源，例如太阳能和风能提供能量，转化为电力进行电解水，产生的氢气可用于氢燃料电池汽车。例如，一小时生成0.9升的氢气，大约够氢燃料电池汽车行驶25公里。
（图片来源：UNIST）
关键字
氢气、新能源、电解水
参考资料
【1】http://news.unist.ac.kr/a-new-strategy-for-efficient-hydrogen-production/
【2】Junyoung Kim, Areum Jun, Ohhun Gwon, Seonyoung Yoo, Meilin Liu, Jeeyoung Shin, Tak-Hyoung Lim, Guntae Kim. Hybrid-solid oxide electrolysis cell: A new strategy for efficient hydrogen production. Nano Energy, 2018; 44: 121 DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.11.074