水制氢

在当今全球对可再生能源需求日益增长的背景下，光解水技术作为一种前沿的清洁能源生产方式，正逐渐引起人们的关注。光催化分解水制氢是从根本上解决能源危机和环境污染的途径之一，是众多光催化实验研究者近年来努力攻克的主要课题之一。如何能高效的获取光催化分解水制氢制氧实验成果，一套好的反应系统必不可少。 光解水是利用光能将水分子分解为氢气和氧气的过程。这一过程通常依赖于光催化剂，在光照条件下，通过吸收太阳光的能量，促进水分子的化学反应，从而实现氢气的生成。 光催化技术是通过光催化剂，利用光子能量将许多需要在苛刻条件下发生的化学反应，转化为可在温和环境下进行的先进技术。利用光催化技术分解水制氢，可以将低密度的太阳光能转化为高密度的化学能，在解决能源短缺问题上具有深远的应用场景。美国能源部提出如果光催化分解水制氢的太阳能转换氢能效率达到10%，太阳能制氢成本（包括生产和运输）达到2~4美元/kg H2，这项技术就有可能走向大规模应用。组成部分光催化分解水的原理水是一种相对稳定的化合物。水分解生成氢气和氧气的过程，是一个吉布斯自由能增加的过程（▲G0），也就是说从热力学角度考虑，水分解反应是一个非自发反应，必须有外加能量才能进行。光催化分解水制氢反应，就是利用光子的能量推动水分解反应的发生，然后转化为化学能。具有高能量的远紫外线（波长小于190nm）可以直接分解水，然而此类远紫外线难以到达地球表面，所以普通太阳光照射难以实现水分解制氢。光催化分解水制氢是利用一些半导体材料如TiO2的吸光特性，实现光解水反应的发生。半导体材料在受到光子的激发后，会产生具有较强还原能力的光生电子，可以将吸附在半导体表面的质子或水分子还原为氢气，从而实现光催化分解水制氢。shinsco产品展示产品详情近年来半导体行业的快速发展，超高纯316L不锈钢，符合SEMI F20标准，通过真空感应熔炼+真空自耗重熔（VIM+VAR），并使用特殊的工艺处理，对材料进行最大程度的提纯，进一步减少了材料中的的非金属夹杂物和气体成分。EP管（316L，VIM+VAR）是表面经过电解抛光处理，以提高产品内部的平滑性，并在金属表面形成富铬层以提高耐腐蚀性，电解抛光后的产品做钝化处理以去除游离铁离子。EP抛光产品经 SEM、 ESCA/XPS、AES分析，产品质量完全满足半导体协会 SEMI F20 标准。基于EP抛光（316L，VIM+VAR）技术的发展，鑫视科shinsco采用国内优秀企业生产的EP管（316L，VIM+VAR）和EP自动阀门，替换了光催化活性评价系统的原有玻璃管路和阀门，并实现了PLC全面控制整套系统，实现了SSC-PCAE光催化活性评价系统的全自动化运行。 SSC-PCAE光催化活性评价系统(Photocatalytic activity evaluation system)沿用半导体行业的真空技术，将玻璃管路和阀门替换为EP管和EP自动阀，实现了整个系统的全自动控制实验过程，全自动在线采样分析，实现了实验中真正的全自动运行。SSC-PCAE光催化活性评价系统主要应用于光解水、全解水、电催化、光催化CO2还原、光催化固氮、光电催化气体产物分析、耐压釜式反应、催化反应的微量气体收集等。产品优势封闭反应的产物气体收集、采样、在线分析的一体化系统；内置气体磁力增压泵，形成高强压差，实现气体快速混匀；全系统耐压-14.6psi ~150psi，实现了从真空到10atm的压力覆盖；应用半导体材料（TiO2、InO、C3N4、CdS等）催化剂的活性评价；催化剂产氢、产氧、光解水的性能分析；催化剂二氧化碳还原的性能分析；系统可配和玻璃、石英、不锈钢、PEEK、PTFE等材料制备的反应器使用可满足光电反应、气固反应、膜催化、多相反应等特殊实验要求；系统管阀件全部采用EP（316L，VIM+VAR）管和EP阀，对气体无吸附；系统即装即用，可兼容任意厂家气相色谱仪，无需额外增加进样阀门；GC测试范围广，氢、氧、CO2、甲烷、CO、甲醛、C1-C5等微量气体；参数配置项目SSC-PCAE-150光催化活性评价系统系统真空度-0.1MPa（-14.6psi）系统耐压-14.6psi ~150psi管路材质EP电解抛管（316L，VIM+VAR）；体积50ml±5阀门EP隔膜阀（标配）、250ml、25ml、50ml；石英通光

近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员邓德会和副研究员刘艳廷团队开发的具有自主知识产权的“海水制氢联产淡水技术”在北京通过了由中国石油和化学工业联合会（以下简称“石化联合会”）组织的科技成果评价。评价会由石化联合会科技与装备部副主任王秀江主持，深圳大学骆静利院士担任评价委员会主任，清华大学教授魏飞担任评价委员会副主任。科技成果评价现场会上，邓德会作了题为“海水制氢联产淡水技术”的工作报告，介绍了技术背景、技术路线、创新点和知识产权情况等。评价委员会专家详细审查了报告及相关鉴定材料，并与研发团队就科学技术问题及发展前景等进行了深入的交流和讨论。研发团队开发的海水制氢联产淡水新技术，主要利用碱性电解水产生的废热作为海水低温制淡水的热源，将碱性电解水系统与海水低温淡化技术进行耦合集成，创建废热回收系统，实现了热量的高效利用。在此基础上，建成了基于铠甲催化剂的25千瓦级海水制氢联产淡水中试装置。2023年12月19日至22日，石化联合会组织专家组对该中试装置进行了连续72小时考核。该装置实现了以海水为原料高效电解水制氢联产淡水，碱性电解槽直流电耗≤4.2kWh/Nm3H2@2300A/m2，氢气产能91.2 Nm3/d，氢气纯度≥ 99.999%，产生的淡水在满足自身电解需求的基础上，联产淡水29.3 kg/d，电导率≤ 20 μS/cm，盐度≤ 0.01 ppt。与传统电解水制氢装置相比，该装置的电能利用率提高了13.9%。最后，评价委员会专家一致认为：海水制氢联产淡水技术创新性强，指标先进，拥有自主知识产权，达到国际领先水平。建议加快工程化开发进程，早日建成工业示范装置。

南开大学电子信息与光学工程学院罗景山教授团队联合西班牙巴斯克大学科研团队，在电催化水分解制氢研究中取得重要进展。据了解，该联合团队利用金属载体相互作用构筑了碱性条件高活性析氢催化剂，能够在每平方厘米5安培的大电流密度下稳定运行超过1000小时，满足了阴离子交换膜电解水制氢技术商业化应用的需求，相关研究成果在国际学术期刊《自然通讯》发表。氢能作为一种低碳高效的清洁能源，在全球能源转型和应对气候变化方面扮演重要角色。以可再生能源电解水制氢为代表的绿氢在生产过程中不产生温室气体，被广泛视为实现碳中和目标的重要路径之一。Ru NPs/TiN的合成示意图目前，碱性电解水（ALK）和质子交换膜电解水（PEM）两种电解水制氢技术占比较高。其中，ALK制氢技术生产成本低、工业化成熟，但产生的氢气纯度不高且能量效率低。PEM制氢技术能量效率高，产生的氢气纯度较高，但成本较高。而阴离子交换膜（AEM）制氢技术被认为是集两者优势于一体的第三代电解水制氢技术，具有高效率、低成本、快速启停等优势，但在大电流密度下电解槽系统稳定性不足限制了其产业化应用。罗景山介绍，开发大电流密度下寿命长、性能稳定的催化剂是AEM制氢技术亟待解决的核心问题之一。“我们使用氮化钛负载的钌纳米颗粒催化剂组装了AEM电解槽，能在每平方厘米1安培、2安培和5安培的电流密度下稳定运行超过1000小时，性能几乎没有衰减。”论文第一作者、南开大学电子信息与光学工程学院2021级博士生赵佳说。“在每平方厘米5安培的工业级电流密度下，我们的研究成果能够在AEM电解槽中高效稳定运行，克服了催化剂容易不稳定的问题，满足了AEM制氢大规模商业化应用的需求。”罗景山说，“未来，团队将继续投入到绿氢制备技术的自主研发之中，促进科技成果尽快转化落地，为构建零碳、低成本、安全可靠的绿氢能源供给体系贡献力量。”