Decoupled supercapacitive electrolyzer for membrane-free water splitting  

用于无膜水分解的解耦式超级电容电解槽  

来源：Toledo-Carrillo et al., Sci. Adv. 10, eadi3180 (2024) 6 March 2024

科学进展  

 

摘要内容：  

提出了一种基于地球丰富材料的混合无膜电解槽，通过结合电解槽的电催化反应与电容存储机制，实现酸/碱介质中解耦制氢。该设计使氢氧气体时空分离，在10 mA/cm²电流密度下实现69%能量效率（48 kWh/kg），使用钴铁磷化物双功能催化剂在100 mA/cm²时法拉第效率达99%。碱性条件下稳定运行20小时无电极降解。  

 

研究目的：  

开发一种无需隔膜、能适应可再生能源波动、避免氢氧混合风险的水电解技术，降低绿氢生产成本。  

 

研究思路：  

设计超级电容电解槽（SCE）：将双功能电催化剂（如CoFeP）与电容电极（活性炭布ACC）结合，利用电容充放电机制分离产氢/氧步骤。  

 

机理：充电阶段—阴极室发生HER产氢，阳极室发生OER产氧；放电阶段—电极反应反转，通过电容吸附/脱附离子实现反应解耦。  

 

验证：在酸/碱介质测试Pt/C体系验证概念，优化为CoFeP双功能催化剂提升性能。  

 

测量数据及研究意义（对应图表）：  

气体分离效果（Fig.1G, Fig.4C）  

 

 

 

使用丹麦Unisense微传感器监测溶解氢/氧浓度，证实充电阶段阴极室仅产氢（氧浓度不变），验证时空解耦有效性。  

 

意义：直接证明无膜条件下安全分离气体的可行性，避免爆炸风险。  

电催化性能（Fig.2D-I）  

 

 

CoFeP的HER过电位（10 mA/cm²: 205 mV）和OER过电位（10 mA/cm²: 210 mV），Tafel斜率（HER: 60 mV/dec, OER: 31 mV/dec）。  

 

意义：双功能催化剂活性是降低能耗的关键。  

电容特性（Fig.3C-D）  

 

 

ACC电极比电容（0.25 A/g: 169 F/g）及倍率性能（10 A/g: 97.5 F/g）。  

 

意义：电容电极的快速充放电能力支撑反应解耦的循环稳定性。  

系统能耗与稳定性（Fig.4A,D）  

 

单电池电压（10 mA/cm²: 1.85 V），20小时循环稳定性（5 M KOH, 20 mA/cm²）。  

 

意义：69%能量效率（48 kWh/kg）接近商业电解槽，无膜设计具成本优势。  

电压组成（Fig.4E）  

 

等效电压分解：欧姆损耗（3.55 Ω/cm²）占比较大，动力学损耗主要来自OER。  

 

意义：指明优化方向（提升电极导电性/开发高效OER催化剂）。  

 

结论：  

成功开发无膜解耦电解槽，通过电容机制实现氢氧时空分离，适应酸/碱环境。  

 

CoFeP双功能催化剂在100 mA/cm²下法拉第效率达99%，碱性条件稳定运行20小时。  

 

系统能耗48 kWh/kg（10 mA/cm²），通过降低欧姆损耗和优化催化剂可进一步提升效率。  

 

设计兼容波动能源输入，为可再生能源制氢提供安全、低成本的解决方案。  

 

丹麦Unisense电极测量数据的详细研究意义：  

原位验证气体分离纯度：通过实时监测电解液中溶解氢/氧浓度，直接证实充电阶段阴极区仅产生氢气（溶解H₂持续上升，O₂无变化），为无膜设计的安全性提供关键实验证据。  

 

检测微量气体交叉：高灵敏度传感器可识别ppb级气体渗透，证明阀门切换策略能有效阻止气体混合（氧浓度波动可忽略），确保产物纯度>99%。  

 

指导系统优化：溶解气体动态数据揭示初始10秒存在过渡态（法拉第效率91%→99%），提示电极极化过程需进一步优化以减少启动损耗。