Nat. Energy：微波诱导的低温水分解制氢

Nanoyu

2020-11-03

水和绿色能源通过太阳能热化学或光催化裂解水和电解水制氢已经成为一种可持续的替代方案，现场温室气体贡献可以忽略不计。在热化学循环中，水分子的高耗能裂解通常是通过使用可再生的能量载体（金属或陶瓷等分子或固体试剂）将水还原成H₂来实现。水的氧化还原活化通常是通过很高的温度加热或电偶方法来实现这种非自发的平衡限制反应，即具有较大的正吉布斯自由能变化。研究发现，微波加热等电磁工艺有望实现智能制造和激活化学反应，并且可以在没有接触电极和传统电解槽限制的情况下进行电化学操作，这些都受到操作条件和设备复杂性的限制。

近日，瓦伦西亚理工大学J. M. Serra，J. M. Catalá-Civera报道了通过微波触发固态离子材料的氧化还原激活，从水中产生非接触式氢气。

文章要点

1）水的分解是通过单独应用微波辐射实现的，这使得陶瓷氧化物能够在非常低的温度(<250°C)下进行化学氧化还原循环。在第一步中，微波与晶体氧化物相互作用，导致电导率瞬间上升，并伴随着材料的还原(脱氧)。这种电磁驱动的还原机制意味着电子转移与固态氧离子扩散和分子氧的表面释放耦合，从而导致非平衡的高能态。

2）第二步包括通过与活化物质的自发反应分解水，这导致材料直接形成氢气和复氧。这种惊人的反应也可以应用于其他氧化分子的还原，直接产生不同的分子能量载体，即将H₂O和CO₂转化为合成气，再转化为碳氢化合物。

这项多用途的技术为氢气生产和催化反应（如碳氢合成和选择性氧化）的非侵入性带电以及气体分离和固态储能提供了新的、更简单和高能效的途径。

Serra, J.M., Borrás-Morell, J.F., García-Baños, B. et al. Hydrogen production via microwave-induced water splitting at low temperature. Nat Energy (2020).

DOI：10.1038/s41560-020-00720-6

https://doi.org/10.1038/s41560-020-00720-6