催化学报

催化学报 ›› 2024, Vol. 56: 1-8.DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64572-3

• 视角 •    下一篇

广义氢能体系和相关电化学技术

王功伟a, 肖丽a,b, 庄林a,c,*()   

  1. a武汉大学化学与分子科学学院, 化学电源材料与技术湖北省重点实验室, 湖北武汉430072
    b武汉大学索维奇国际分子科学研究中心, 湖北武汉430072
    c武汉大学高等研究院, 湖北武汉430072
  • 收稿日期:2023-09-23 接受日期:2023-11-16 出版日期:2024-01-18 发布日期:2024-01-10
  • 通讯作者: *电子信箱: lzhuang@whu.edu.cn (庄林).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(21991154);国家自然科学基金(21991150);国家自然科学基金(22172115);国家自然科学基金(92045302);中央高校基础研究经费(2042022kf1174);中央高校基础研究经费(2042021kf1064)

General definition of hydrogen energy and related electrochemical technologies

Gongwei Wanga, Li Xiaoa,b, Lin Zhuanga,c,*()   

  1. aCollege of Chemistry and Molecular Sciences, Hubei Key Lab of Electrochemical Power Sources, Wuhan University, Wuhan 430072, Hubei, China
    bSauvage Center for Molecular Sciences, Wuhan University, Wuhan 430072, Hubei, China
    cThe Institute for Advanced Studies, Wuhan University, Wuhan 430072, Hubei, China
  • Received:2023-09-23 Accepted:2023-11-16 Online:2024-01-18 Published:2024-01-10
  • Contact: *E-mail: lzhuang@whu.edu.cn (L. Zhuang).
  • About author:Lin Zhuang is the Chuan-Sin Cha Chair Professor and Dean in College of Chemistry and Molecular Sciences at Wuhan University, China. He received Ph.D. at Wuhan University in 1998, and was a visiting scientist at Cornell University in 2004-2005. His research focuses on electrocatalysis and hydrogen energy technology, in particular alkaline polymer electrolyte fuel cells, water electrolysis, and CO2 electrolysis.
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(21991154);National Natural Science Foundation of China(21991150);National Natural Science Foundation of China(22172115);National Natural Science Foundation of China(92045302);Fundamental Research Funds for the Central Universities(2042022kf1174);Fundamental Research Funds for the Central Universities(2042021kf1064)

RichHTML

48

PDF

213

摘要：

电化学能源储存与转化对于可再生能源电力消纳, 以及绿色低碳的新能源结构和化工体系构建具有重要意义. 氢能作为其中一种典型的二次清洁能源, 一直备受关注. 通常认为氢能是一种以氢气(H2)作为能源载体的能源生产、储运和利用体系. 然而, 氢能作为一种化学能, 储存于H-H化学键之中, 而非孤立的H原子. 本文提出广义氢能体系, 涵盖所有含H化学键(例如H-H, C-H, N-H等)形成或断裂过程伴随的能量储存或释放, 即氢能载体不仅限于H2, 亦可为其它含氢化合物(例如碳氢化合物、氮氢化合物).

本文针对氢能储存于H-H(氢循环)、C-H(碳循环)和N-H(氮循环)所涉及的几种关键电化学技术研究现状进行总结. 对于氢循环, 目前H2生产仍依赖化石资源, 受限于电解成本高, 采用电解水制备的H2仅占很小比例. 电解成本受电价、电解设备造价、电解效率等多重因素影响, 目前商业化的碱性水电解器和质子膜水电解器技术均存在各自难以解决的问题, 碱性膜水电解器技术能够集前二者所长, 有望实现H2的低成本、大规模制备, 但其目前处于商业化起步阶段; 燃料电池技术是H2化学能高效释放利用的重要途径, 质子膜燃料电池已经进行商业化, 但成本较高. 碱性膜燃料电池有望大幅降低成本, 目前受限于高性能非贵金属催化剂和碱性聚电解质等关键材料开发. 对于碳循环, 鉴于很多碳氢化学品在化工体系及日常生活中的重要应用, 如何通过非化石资源制备高价值碳氢化合物具有重要意义, CO2电解转化是一条极具前景的技术路径. 分别从CO2电还原的催化路径控制和电解器件技术开发两方面进行剖析, 明晰不同产物的反应路径、从电极催化剂和电解质微环境两个维度构筑高效催化界面, 以及发展纯水膜电解器技术, 将有助于促使CO2电解转化从实验室研究走向工业化应用. 对于氮循环, 目前合成氨工业能耗高、碳排放量大, 电化学N2还原是一条具有应用前景的绿色氨合成路径, 但由于N≡N键活化困难, 导致转化速率极低. 除了催化剂设计合成之外, 在催化界面引入其它附加作用协同N2活化、与其它反应物共还原或采用其它物理手段等促进N2活化, 将为电化学N2还原合成氨带来新的机遇. 归纳了相关电化学技术研发面临的主要问题. 对于制H2、CO2还原和N2还原的电解技术, 目前阳极主要耦合氧析出反应, 产生的O2经济价值较低, 如果耦合其它高价值有机物的氧化合成, 不仅提升电解转化整体经济性, 还可同时能带来其它附加优点.

综上, 本篇观点文章认为氢能不应局限于以H2为能源载体, 而是可以拓展为其它含氢化合物. 水可以作为廉价清洁的质子源, 是氢能成为可再生电能高效储存利用的原因之一. 本文剖析了几种重要的相关电化学技术的研发现状, 旨在揭示研发及实际应用所面临的关键限制. 未来, 随着这些电化学技术的发展成熟, 将有助于促进广义氢能体系的建立, 从而为降低碳排放和实现能源结构转型提供重要支持.

关键词: 氢能, 燃料电池, 水电解, CO2电解, N2电解

Abstract:

Electrochemical energy conversion, based on the transformation between electrical energy and chemical energy, is crucial for the storage and utilization of renewable electrical energy, as well as the eco-friendly production of valuable fuels and chemicals. Here we put forward a general definition of hydrogen energy that covers the energy storage/release in any hydrogen-involved chemical bonds, such as H-H, C-H, and N-H bonds. Given that H2 gas, hydrocarbons, and hydronitrogens are not only high-energy-density fuels but also important industrial feedstocks, the successful implementation of efficient energy storage/release in the H-H (hydrogen cycle), C-H (carbon cycle), and N-H (nitrogen cycle) bonds are of great significance in establishing sustainable energy systems and reducing dependence on fossil fuels, which contributes to address global energy crisis and environmental problems. We provide a concise overview of the current development status of some key low-temperature (< 100 °C) electrochemical technologies relevant to general hydrogen energy, including fuel cells, water electrolysis, CO2 electrolysis, and N2 electrolysis. This discussion aims to elucidate the major challenges and future trends in this field.

Key words: Hydrogen energy, Fuel cells, Water electrolysis, CO2 electrolysis, N2 electrolysis