Energiesparende elektrochemische Wasserstoffproduktion durch Kraft-Wärme-Kopplungsstrategien in der hybriden Wasserelektrolyse

Angesichts des Anstiegs des weltweiten Energiebedarfs und der Umweltverschmutzung ist die Entwicklung nachhaltiger Energie zur Reduzierung des Verbrauchs fossiler Brennstoffe (wie Öl, Erdgas und Kohle) zum Schlüssel für eine nachhaltige Entwicklung der menschlichen Gesellschaft geworden.

Wasserstoffenergie gilt aufgrund seiner hohen Energiedichte, schadstofffreien Verbrennung und vielfältigen Einsatzmöglichkeiten als ideale alternative Energie.

Die Wasserstoffproduktion durch Wasserspaltung umfasst die kathodische Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) und die anodische Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER), die sich durch umweltfreundlichen Umweltschutz, flexible Produktion und hohe Reinheit auszeichnen und eine der idealen umweltfreundlichen Produktionstechnologien darstellen. Die intrinsische langsame Kinetik der anodischen Sauerstoffentwicklungsreaktion führt jedoch schwerwiegend zu einer geringen Wasserstoffproduktionseffizienz der Kathode.

Darüber hinaus entsteht bei der Wasserelektrolyse stark oxidierendes Wasserstoffperoxid (H2O2), was die Lebensdauer des Films für elektrolytisches Wasser verkürzt und die praktische Anwendung der elektrolytischen Wassertechnologie behindert. Daher ist es dringend erforderlich, neue hocheffiziente, stabile und hochwertige elektrolytische Wasserkatalysatoren zu entwickeln.

Die hybride Wasserelektrolyse (HWE)-Konfiguration, die thermodynamisch günstige Oxidationsreaktionsprozesse an der Anode und HER an der Kathode kombiniert, erweist sich als besonders attraktive Alternative zur Maximierung der H2-Produktion.

Noch wichtiger ist, dass der Ersatz des trägen OER-Prozesses durch thermodynamisch günstigere Oxidationsreaktionen bahnbrechende Fortschritte bei der Anreicherung einer hocheffizienten, energiesparenden H2-Produktion ermöglicht und gleichzeitig zusätzliche Funktionalitäten wie die Reinigung von Industrieabwässern und die Herstellung hochwertiger Chemikalien ermöglicht.

Daher ist es erforderlich, geeignete synergistische Elektrokatalysekonfigurationen zu benennen, die auf elektrochemischen Grundsätzen elektrogekoppelter katalytischer Prozesse basieren.

Kürzlich hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Qinfang Zhang vom Yancheng Institute of Technology, China, einige wichtige Richtlinien für die Entdeckung effizienter multifunktionaler Hybrid-Wasserelektrolysesysteme (HWE) zur Kraft-Wärme-Kopplung von energiesparendem und hochwertigem H2 überprüft -hinzugefügte Produkte. Zunächst wird ein Überblick über das HWE-System gegeben, begleitet von einer Diskussion über das Design und die Konstruktion hochreaktiver/selektiver/stabiler Elektroden/Elektrokatalysatoren für die anodische Oxidation organischer/Biomassesubstrate.

Das tiefgreifende Verständnis möglicher Reaktionsmechanismen aus experimenteller und theoretischer Sicht wird verdeutlicht, um die Effizienz der synergistischen Elektrokatalyse zu fördern. Die jüngsten Forschungsdurchbrüche auf dem Gebiet der HWE-Technologie werden eindringlich besprochen und eröffnen neuen Raum für die Niederspannungs-H2-Erzeugung aus Abfallprodukten und erneuerbaren Rohstoffen.

In dieser Arbeit werden auch die Aussichten bestehender Herausforderungen mit einigen Chancen für zukünftige Forschungsrichtungen vorgestellt. Die Ergebnisse waren veröffentlicht im Chinesisches Journal für Katalyse.