近日，我所催化基礎國家重點實驗室二維材料與能源小分子轉化創新特區研究組（05T6組）鄧德會研究員團隊以鎧甲催化劑為電極，構建了高效穩定的電解水解耦裝置。該工作為電力削峰填谷策略提供了新思路。
高效穩定的電解水解耦裝置為電力削峰填谷策略提供了新思路
解耦電解水是一種有潛力的削峰填谷策略，可以將用電低谷期的過剩電力利用起來，在用電高峰期實現氫氣的低能耗制備。這一策略可以緩解電力生產與消耗之間存在的時空不平衡，對實現電能的高效利用具有重要意義。目前，構建高效、大容量的解耦裝置仍存在挑戰。因此，亟需開發新型高性能的解耦裝置，實現過剩電力向氫能的高效轉化。
本工作中，團隊提出以石墨烯封裝鈷鎳顆粒的鎧甲催化劑為電極，多硫化物離子為氧化還原介質構建電解水解耦裝置。此裝置在用電低谷期將過剩電力儲存為還原態多硫化物離子的化學能，在用電高峰期氧化多硫化物離子，實現氫氣的低能耗制備。在電流密度為100mA/cm2的恒電流測試中，該產氫解耦裝置的總電位僅為0.82V，是目前所報道的解耦裝置的最低值。相比于直接全解水，該裝置有效降低制氫電位1.24V，可節約高峰期產氫用電60.2%。在鎧甲催化劑的高效催化下，解耦裝置在500mA/cm2的大電流密度下持續穩定產氫500小時，展現出高達2.5 105mAh/cm2的產氫容量。此外，該團隊還與青島理工大學關靜副教授合作，結合理論計算發現，鎧甲催化劑的優異活性源于金屬內核和石墨烯殼層上的氮原子對石墨烯殼層電子結構的協同調變，從而促進了多硫化物在石墨表面上的高效還原。該工作為電網系統的削峰填谷提供了新的思路，有望應用于智能電網的構建。
鄧德會團隊近年來圍繞團隊前期在國際上率先提出的“鎧甲催化”概念，在鎧甲催化劑結構的設計和催化反應調控方面，開展了系統的研究（Angew. Chem. Int. Ed.，2013；Angew. Chem. Int. Ed.，2014；Energy Environ. Sci.，2014；Angew. Chem. Int. Ed.，2015；Nature Nanotech.，2016；Energy Environ. Sci.，2016；Adv. Mater.，2017；Adv. Mater.，2019；Energy Environ. Sci.，2020；Adv. Mater.，2020）。
相關研究成果以“Highly Efficient Conversion of Surplus Electricity to Hydrogen Energy via Polysulfides Redox”為題，于近日發表在The Innovation上。該工作得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金委基礎科學中心和重大項目、教育部能源材料化學協同創新中心（2011 iChEM）等項目的支持。
