Nature Energy：磁熱效應「化療」鹼性水電解頑疾

本文亮點：

（1）磁加熱用於鹼性水電解；

（2）20mA/cm2電流密度下，析氧過電位降低200mV，析氫過電位降低100mV；

（3）析氧動力學的提升相當於把電池的溫度升高至?200°C（實際上僅升溫5℃）；

（4）未來，室溫下可能會在平衡電壓附近發生水分解。

化石能源的大量使用導致環境問題層出不窮，而氫能將是我們未來能源組合的重要部分。水電解可以通過氫的化學鍵儲能。目前最先進的（高能量和高效率）水電解槽基於酸性質子交換膜（PEM），然而其電極材料為貴金屬，成本高，耐久性不足，阻礙了其大規模商業化。相反，鹼性水電解槽（AWE）可使用儲量豐富的催化劑（例如鎳），具有很好的經濟效益；卻面臨低的工作電流密度以及中等能量效率。近年來通過對催化劑組分及形貌的精確調控，其在鹼性媒介中的活性和穩定性顯著提升，但其效率仍低於酸性質子交換膜電解槽。

提升電極的工作溫度可以提升性能，但傳統的加熱系統無法避免整個電池的全局加熱，從而增加了能量成本並降低了耐用性，電極材料和整個AWE電池腐蝕速率也加快。如果實現局部加熱，就可以有效提升其能量效率。磁加熱是磁性納米顆粒(MNPs)在外部高頻交變磁場作用下在顆粒周圍局部強烈產熱。目前主要用於癌症治療，其釋放的熱量破壞癌細胞，且產熱集中在MNPs周圍局部。

受此啟發，格勒諾布爾-阿爾卑斯大學Marian Chatenet教授和圖盧茲大學Julian Carrey教授開創性地將磁加熱技術應用於鹼性水電解槽。採用鎳包覆的碳化鐵納米顆粒作為催化劑，在高頻交變磁場下產生局部加熱效應；用於AWE流動電解池，在20mA/cm2電流密度下，析氧過電位降低了200mV、析氫過電位降低了100mV。這種析氧動力學的提升相當於把電池的溫度升高至?200°C，而實際上該電池溫度只有5℃升高。

圖1 MNPs在AMF中局部加熱提升水電解原理。a) 在產生AMF的線圈內工作的AWE電池的一般表示，電解池由可再生能源提供電力，電b) 電解AWE流動電池構建示意圖

圖2 FeC-Ni催化或非催化OER電極對AMF激發的響應。不同振幅AMF下1mg/cm2 FeC-Ni在35mA恆流測試OER 的a) 電極電勢, b) 歐姆壓降校正電極電勢；c) 不同振幅AMF下非催化碳布在21mA電流時的相同測試

圖3 不同振幅AMF下FeC-Ni催化電極HER和OER活性提升。1mg/cm2 FeC-Ni在1M KOH溶液中不同條件AMF下准靜態電勢a) HER, b) OER；c,d) 歐姆壓降校正後相似測試

圖4 48mT. AMF下鹼性水電解電壓的改善。電解池電壓與電流密度關係a) 未經過歐姆壓降校正, b) 經過歐姆壓降校正

除水分解之外，這種局部且非常強烈磁電加熱亦可用於其他電化學領域，如：電催化，加速化學反應（如氧氣還原，小有機分子電氧化）和非貴金屬電極上的選擇性析氯（如處理壓艙水等）。另外，製藥污染物也可使用磁熱催化劑作為「電化學焚化」，作為清潔水的有效手段。也許，磁熱效應可以再火起來？

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