如何高效制氢?气体吸附技术在制氢和氢燃料电池中的表征应用

2022-12-06 23:03:06, CIQTEK 国仪量子(合肥)技术有限公司


氢能是推动传统化石能源向绿色能源转变的清洁能源

其能量密度是石油的3倍、煤炭的4.5倍

是未来能源革命的颠覆性技术方向

氢燃料电池是实现氢能转换为电能利用的关键载体

在“碳达峰”与“碳中和”的绿色发展背景下

世界各国高度重视氢燃料电池技术的发展

这对氢能及氢燃料电池产业链的

相关材料、工艺技术和表征手段等方面

提出了更高要求

气体吸附技术是材料表面物性表征的重要方法之一

在以氢燃料电池为主的氢能利用中发挥着至关重要的作用


气体吸附技术在制氢行业中的表征应用

如何制氢是利用氢能的第一步

电解水制氢纯度等级高,杂质气体少,易与可再生能源结合

被认为是未来最有发展潜力的绿色氢能供应方式[1]

图片来源:摄图网

为了提高电解水制氢效率

开发、利用高性能的HER电极催化剂

是一条行之有效的途径。

以石墨烯为代表的多孔碳材料具备优异的物理化学性质,如丰富的孔道结构、较大的比表面积、较高的电导率以及良好的电化学稳定性,为构建高效的复合催化体系带来了新的契机,通过助催化剂的负载或者杂原子掺杂等途径提升析氢能力[2]

此外,大量的研究表明,HER电极催化剂的催化活性很大程度上取决于其表面暴露出的活性位点的数量,暴露的活性位点越多,其相应的催化性能就会越佳。而多孔碳材料较大的比表面积,作为载体时一定程度上会使活性物质暴露出更多的活性位点,加速制氢的反应进行。

以下是使用国仪量子V-Sorb X800系列比表面及孔径分析仪对石墨烯材料的表征案例。从图1可以看出,不同工艺制备出的石墨烯其表面积差距较大,分别为516.7 m2/g和88.64 m2/g,研究者可以通过比表面积的测试结果来进行基础催化活性的判断,可为复合催化剂的制备提供相应的参考。

图1 不同工艺合成的石墨烯比表面积测试结果

此外,很多研究者通过将磷化钴等过渡金属磷化物与高比表面积的碳材料相结合,来提高电解水制氢的电催化活性。如图2所示,通过将磷化钴负载在多孔碳材料上,通过BET测试结果,可以得出碳/磷化钴复合材料的比表面积高达195.44 m2/g,高比表面积可以提供更多的活性位点与电解液接触,同时由于适中的氧/氢吸附和解离能,进而会表现出优异的电催化活性。

图2 碳/磷化钴复合材料比表面积测试结果


气体吸附技术在氢燃料电池行业中的表征应用

氢燃料电池是以氢气为燃料,通过电化学反应将燃料中的化学能直接转变为电能的发电装置,具有能量转换效率高、零排放、无噪声等优点。

当前,氢燃料电池的研究重点在于对质子交换膜、电催化剂和双极板等技术的攻关。在氢燃料电池中,理想的质子交换膜(PEM)将填充氢气的腔体和填充氧气的燃烧室完全分隔开来,只允许质子单独通过。而目前常用氢燃料电池质子交换膜隔离性能不够好,会使氢燃料与氧化剂部分混合,从而损害氢燃料电池的电化学性能。

近年来,由多孔MOF和聚合物复合形成的PEM的研究受到了广泛关注,其中MOF框架结构可以通过一些有利于质子传导的化合物进行修饰,然后将形成的MOF基材料进一步制成以聚合物为基质的杂化膜。MOF的高比表面积还可以容纳更多的质子载体,为提高复合膜的质子导电率提供了机会;此外,MOF的丰富孔道结构便于在其孔道中构建氢键网络作为质子传输的有效途径,进而增加活性质子的迁移率[3]

图3是使用国仪量子自研的V-Sorb X800系列比表面及孔径分析仪对MOF复合材料的表征案例。

图3 (a)BET测试结果图;(b)N2吸附-脱附等温线

图3(a)展示了MOF复合材料的BET在1242.58 m2/g,图3(b)N2吸附-脱附等温线接近Ⅰ类等温线,表明具有较为丰富的微孔结构。结合孔径分布图分析,图4(a)可以看出BJH-孔径分布图中无明显的集中分布趋势,表明基本无集中的介孔孔径分布;图4(b)SF-孔径分布中,可以看出在0.57 nm处附近有较为集中的一个微孔孔径分布,表明其最可几孔径为0.57 nm。

图4 (a)BJH-吸附-孔径分布图;(b)SF-吸附-孔径分布图

此外,在氢燃料电池的电堆中,电极上氢的氧化反应和氧的还原反应过程主要受催化剂控制,催化剂是影响氢燃料电池活化极化的主要因素,被视为氢燃料电池的关键材料,决定着氢燃料电池汽车的整车性能和使用经济性[4]。铂是燃料电池最常用的催化剂之一,但较高的成本限制了其大规模使用。而同样以石墨烯为代表的多孔碳材料也可以作为氢燃料电池的电催化剂载体,在其表面负载上非铂催化剂,其制氢催化效率可以达到或超越传统的铂系催化剂,助力氢燃料电池的规模化应用。


国仪精测V-Sorb X800系列 

国仪精测V-Sorb X800系列比表面及孔径分析仪采用静态容量法测试原理,具备完全的自动化操作,人性化的操作界面,简单易学。产品技术通过机械工业联合会科技成果鉴定,被欧美高校、科研实验室选购使用,获得一致好评,树立了优良的国产品牌形象。

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参考文献:

[1] Wang P, Qi J, Chen X, et al. Three-dimensional heterostructured NiCoP@ NiMn-layered double hydroxide arrays supported on Ni foam as a bifunctional electrocatalyst for overall water splitting[J]. ACS applied materials & interfaces, 2019, 12(4): 4385-4395.

[2] Huang H, Shi H, Das P, et al. The chemistry and promising applications of graphene and porous graphene materials[J]. Advanced Functional Materials, 2020, 30(41): 1909035.

[5] Chen J, Mei Q, Chen Y, et al. Highly Efficient Proton Conduction in the Metal–Organic Framework Material MFM-300 (Cr)· SO4 (H3O) 2[J]. Journal of the American Chemical Society, 2022, 144(27): 11969-11974.

[6] 刘应都, 郭红霞, 欧阳晓平. 氢燃料电池技术发展现状及未来展望[J]. 中国工程科学, 2021.

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