基于摩擦納米發(fā)電機的自驅(qū)動電解海水制氫系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

研 究 背 景

發(fā)展氫能經(jīng)濟是我國向可再生零碳能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標的有效探索。電解水制備氫氣具有綠色、高效、純度高等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)化石燃料的完美替代，并且氫氣燃燒的終產(chǎn)物為高純淡水，可實現(xiàn)資源的有效循環(huán)利用。但現(xiàn)有的電解制氫體系存在兩個亟需解決的問題：

1）幾乎所有的體系都使用淡水資源作為電解液，這無疑加劇了淡水資源短缺問題；

2）能耗巨大，成本超過4美元每公斤。這導(dǎo)致電解水制氫僅占全球氫氣產(chǎn)量的4%。

文 章 簡 介

該研究利用納米發(fā)電機（TENG）收集環(huán)境中的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，有效降低用電成本；開發(fā)的NiCoP-MOF新型電極提高了電解制氫性能及穩(wěn)定性，不僅可以直接利用天然海水為電解液，破解水資源短缺的瓶頸，而且相對于以前的基于納米發(fā)電機的自驅(qū)動電解水的最高產(chǎn)氫效率提升了2.3倍。本研究為大規(guī)模自驅(qū)動電解海水制氫進行了有力探索，為有效利用海洋資源實現(xiàn)氫能經(jīng)濟及“碳中和”目標提供了有效的解決方案。

圖1. 自驅(qū)動電解海水制氫系統(tǒng)的設(shè)計及原理。

本 文 要 點

要點一：摩擦材料對匹配

TENG的功率輸出與其表面的電荷密度的二次方成正比，因此提高TENG的表面電荷密度是增強其功率輸出的關(guān)鍵。本研究首次采用聚甲醛（POM）為摩擦層與聚四氟乙烯（PTFE）接觸起電，實現(xiàn)了344.2 μC m-2的表面電荷密度。并根據(jù)前線分子軌道理論分析其電荷密度增大的起因，為后續(xù)材料選擇提供了有效借鑒。

要點二：阻抗匹配實現(xiàn)高效整流

TENG的高電壓低電流的輸出特性與電解水制氫需要大電流低電壓輸入相左，因此需要對TENG的輸出進行整流處理。同時由于TENG的阻抗較大（MΩ級別），需要在相應(yīng)的負載下實現(xiàn)功率輸出的最大值。基于此，本研究采用阻抗匹配原理，采用變壓器將TENG的電流從1.42 mA增大到54.5 mA，并且實現(xiàn)了92.0%的轉(zhuǎn)化效率。

要點三：直接采用天然海水為電解液

絕大多數(shù)的電解水制氫體系采用純水為電解液制取氫氣，這進一步加劇了淡水資源的緊張局面。本研究開發(fā)NiCoP-MOF催化劑提高電解制氫性能及穩(wěn)定性，直接將天然海水為電解液，破解海水短缺的瓶頸，將氫氣產(chǎn)率2.3倍提升了2.3倍，實現(xiàn)了1723.9 μL min-1 m-2的氫氣產(chǎn)率。

審核編輯：劉清