中國儲能網(wǎng)訊：近日，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所環(huán)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，設計并研制出了新型節(jié)能的可充電鋅-空氣電池；同時，基于該思路發(fā)展了增強電催化電解水產氫技術。這為新型節(jié)能金屬-空氣電池器件的設計和清潔氫能源的開發(fā)利用提供了新思路。相關研究成果發(fā)表在Electrochimica Acta和Chemical Communications上。
設計與研制新型、高效、環(huán)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(xiàn)先進可持續(xù)清潔能源技術發(fā)展的重要研究內容之一。為了實現(xiàn)這些新型能源器件與技術的實用化和商業(yè)化，研究人員致力于發(fā)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(fā)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，嚴重制約可充電空氣電池技術和電解水制氫能源技術的發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，相對于不斷追求設計高效OER電催化劑的思路，利用另一種更高效且環(huán)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(fā)展思路。
鑒于此，研究人員設計并制備出了多功能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(fā)現(xiàn)，利用UOR取代OER實現(xiàn)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(jié)約能耗12-21%。將研制的高效Ni2P/CFC催化劑應用到電催化分解水產氫研究，發(fā)現(xiàn)利用UOR取代OER后，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(xiàn)電解水高效產氫，電解水產氫的起始電位遠低于目前報道的高效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(fā)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(chuàng)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。
