成果简介由于可再生资源的可承受性不断提高，用无二氧化碳技术供应全球能源需求正变得可行。氢是能源系统脱碳的一个有前途的载体，但需要更有效和可扩展的合成，以使其广泛部署。近日，来自西班牙瓦伦西亚理工大学的J. M. Serra & J. M. Catalá-Civera等研究者，报道了固态离子材料在低温(<250°C)下，经微波触发氧化还原活化的水电解生产非接触氢气。相关论文以题为“Hydrogen production via microwave-induced water splitting at low temperature”于11月02日发表在Nature Energy上。研究亮点1. 该研究中水通过与非平衡掺钆的CeO2反应还原，该CeO2先前仅通过微波在原位进行电化学脱氧。微波驱动的还原反应通过瞬间电导率上升和O2释放得以确认。这一过程是可循环的，而H2产率和能源效率则依赖于材料和动力。2. 低能分子(H2O或CO2)的脱氧导致了能量载体的形成，并在与Sabatier反应器结合时使CH4的生产成为可能。背景介绍工业、交通运输和能源管理的可持续性将依赖于无二氧化碳技术和可再生电力，这得益于光伏太阳能和风力涡轮机园区日益增长的可承受能力。工业和运输的电气化将通过使用二氧化碳中性的能源载体或化学原料极大地有助于限制温室气体排放；然而，可再生能源的间歇性需要新的储能工具配合新颖、高效的方法，使流程工业中单一工序电气化。电池和电解水器使紧凑、灵活和持久的电能存储成为可能。在H2分子中储存能量是非常有趣的，因为它可以在燃料电池中转换回电能或用于化学处理。今天的H2生产主要是通过重整碳氢化合物来完成的，这导致了大量的二氧化碳足迹。通过太阳能热化学或光催化分解水和电解法从水和绿色能源中生产H2已经成为可持续的替代方案，现场温室气体的贡献可以忽略不计。在热化学循环中，水分子的高能量消耗的分裂，通常是通过使用可再生的能量载体(分子或固体剂如金属或陶瓷)来还原水生成H2。水的氧化还原活化通常是通过高温加热或电解法进行的，以使这种非自发平衡极限反应发生，即吉布斯自由能发生较大的正变化。此文中，研究者报道了由微波触发的固态离子材料氧化还原活化介导的水的无触点制氢。微波辐射可以实现水的分解，这使得陶瓷氧化物在非常低的温度(<250°C)下进行化学氧化还原循环(图1)。第一步，微波与晶体氧化物相互作用，导致电导率瞬间上升，同时伴随着材料还原(脱氧)。第二步，是通过与活化材料的自发反应将水分解，直接生成H2并使材料重新氧化。这种引人注目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，进而转化为烃类。
图6. 能量转换反应中的微波电催化图6c, d显示了CH4部分氧化生成合成气的过程。在10%的CH4流到达Tind时，CH4与从活化的CeO2晶格演化而来的表面氧种发生反应，主要转化为H2, CO和CO2，而O2的踪迹仍可检测到。总结展望综上，研究者报道了一种无碳制氢方法。在微波作用下，固体离子材料在极低的温度下被氧化还原激活。观察到的还原是在给定的Tind和功率阈值以上的微波强度触发的，由突然的峰值氧释放和一个大的特征电子导电性提高确定。这种方法可以实现无接触、无电解的电化学反应，如H2O电解，减轻了传统电化学电池的操作限制。基于阴离子而不是O2(例如，S2-, Cl–, Br–)的化合物的还原将允许新的化学反应，应用于多个领域，如发射控制和难以活化的分子在低温下的功能化。文献信息Serra, J.M., Borrás-Morell, J.F., García-Baños, B. et al. Hydrogen production via microwave-induced water splitting at low temperature. Nat. Energy5, 910–919 (2020). https://doi.org/10.1038/s41560-020-00720-6https://www.nature.com/articles/s41560-020-00720-6#citeas
