微结构FeP-CoP嵌入氮掺杂碳电催化剂制备示意图，该电催化剂是新电解槽的核心。学分:HIMS在最近的一篇《自然通讯》论文中，由阿姆斯特丹大学范特霍夫分子科学研究所的颜宁博士领导的一组研究人员展示了一种使用富含稀土的催化剂进行水电解的实用无膜方法。他们与武汉大学和武汉理工大学的研究人员共同开发的新电解槽概念，比目前正在开发的大规模制氢电解槽具有显著优势。向氢经济转型是推进可持续能源实践和应对气候变化的必要条件。利用可再生电力通过水或电解产生的氢气既可以用作清洁能源载体，也可以用作从二氧化碳中制造大宗化学品的试剂。大规模水电解是实现这些目标的关键技术。然而，尽管电解槽已经为人所知超过200年，这项技术仍然面临重大挑战。例如，传统的碱性电解更适合在低电流密度和低压下操作，而新兴的质子交换膜电解槽需要使用稀缺的贵金属催化剂和大量的水净化。
三明治式建筑
现在，由阿姆斯特丹大学范特霍夫分子科学研究所的颜宁博士领导的一组研究人员展示了一种新型的无膜电解槽，该电解槽仅使用富含稀土的催化剂就能在高电流密度下将水分解成氢气和氧气。这项工作由武汉大学和武汉理工大学的研究人员共同完成，最近发表在《自然通讯》的一篇论文中。
新的电解槽由两个相同且独立的夹层结构隔间组成。两种溶液通过这个夹层流动:富氢阴极电解液和富氧阳极电解液。在操作过程中，阳极电解液和阴极电解液来回循环，从而使每个隔室的作用连续颠倒。因此，这种新型电解槽输送的氢气纯度超过99%。
无膜水电解槽的台秤原型。信用:HIMS根据严博士的说法，这种新的设置结合了两者的优点:“紧密堆积的夹层结构导致离子的移动距离很短，使我们的无膜电池的欧姆电阻与质子交换膜电解槽相当。再加上两个反应成员的分离，这为电池在与质子交换膜相当的高电流密度下工作创造了机会。此外，我们的电解槽设计非常坚固，在去离子水中和普通自来水中都同样适用。”
循环操作
为了实现连续性能，电解槽以循环方式运行，其中电极催化剂具有双功能活性。测试表明，它在水还原反应和水氧化反应中表现同样良好。这里的一个重要优点是不需要贵金属。取而代之的是，这种电池使用了一种氮掺杂催化剂的改进版本，这种催化剂是由严(Yan)和加迪·罗森伯格(Gadi Rothenberg)教授开发的，用于燃料电池和超级电容器应用。这些高度多孔和结构化的材料现在已经被博士生Jasper Biemolt用作铁钴合金及其磷化物衍生物的支撑物(见第一张图片)。
罗森博格解释说，使用富含地球的材料是现实应用的关键:“为了在市场上有效竞争，绿色氢的成本应该低于每公斤2欧元。这意味着商业大规模生产氢气需要寻找替代解决方案。通过设计具有新配置的电解槽和使用基于丰富元素的催化剂，我们为现实生活中的实施创造了可能性。”
严和罗森博格意识到，扩大这种细胞技术需要更多的未来工作。联合合作将继续解决各种基础和应用问题，如技术经济分析以及自来水电解液中工作电极和辅助电极的动态行为。
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