Nature子刊:太阳能驱动下,耦合绿色产氢的高效生物废物增值转化

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▲第一作者:Zhao Hu, Lu Dan  

通讯作者:Li Hong, Zhou Yan, 游波教授    
通讯单位:新加坡南洋理工大学,华中科技大学      
论文DOI:10.1038/s41467-021-22250-9  

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本文针对碱性水分解过程中长期存在的高耗能和低安全性等问题,提出了一种彻底有效的解决方案,即用自然界最广泛存在的氨基生物质-壳多糖的氧化来代替不利的析氧反应,从而使得电化学产氢更加安全,持续和低成本。相对于传统的水分解,壳多糖氧化耦合制氢反应不仅能耗减少了15%,而且阳极乙酸的碳收率高达90%,更是实现了直接的太阳能利用。相对于以往报道的小分子有机物氧化,本文所报道的生物质废物氧化具有超高的可规模化,能完全匹配当前的产氢需求。

背景介绍


日益枯竭的化石能源和日益恶化的环境问题促使我们越来越关注可再生能源的存储和利用。日常使用的电池存储设备并不能满足重型运输工具以及能源密集型产业的需求。相较而言,绿色氢能极具潜力,而电化学产氢也一直被视为最具潜力的产氢方式。然而,到目前为止,应用最广的碱性水分解也只占到了全球产氢的4%,主要是因为其生产成本远远高于当前主流的甲烷水汽重整产氢,其中50%为电力成本。
当然,随着可再生电能的发展,水分解成本有希望进一步降低。而析氧反应的电力消耗在整个水分解反应中占比高达90%。同时,氢氧混合所引发的安全问题很大程度上限制了碱性电解水的稳定运行和可再生能源(比如太阳能)的直接利用。因此,越来越多的人希望能在时间和空间上将析氢和析氧反应分开。对此,前人提出了通过辅助的氧化还原媒介或者替代性的小分子有机物氧化等方式。然而,这些方法都存在与当前产氢规模不匹配的问题。鉴于此,氧化生物质废物极具潜力。然而,生物质废物原料往往结构复杂,溶解度低,难以被利用。因此,开发一种电化学直接转化生物质废物原料分子的方法极具价值。

研究出发点


针对以往所报道的小分子有机物氧化与当前的产氢需求不匹配问题,该工作实现了阳极生物质废物原料的高效增值转化与阴极安全绿色产氢的耦合。极大的消除了氢氧混合的风险,提高了非满负荷运行的稳定性,更是实现了间歇性可再生能源(太阳能)的直接利用,伴随的乙酸的高附加值让电化学产氢变得更加廉价可行。同时,壳多糖及其虾壳废物(固体废物的重要组成成分)得到了有效的回收利用,极具环境效益。

图文解析


相对于传统的碱性水分解,析氢和析氧两个反应完全的耦合在一起,本文通过使用热力学和动力学上更为有利的壳多糖氧化替换了常规的析氧反应,进而实现了更加安全高效的电化学产氢。同时,阳极上,壳多糖选择性的转化为乙酸盐,而没有其他气相产物。因而使得太阳能直接耦合驱动成为可能。左图给出了由壳多糖到乙酸盐的主要转化路径。

基于壳多糖氧化对于析氧反应的有效抑制作用,我们论证了直接使用太阳能来驱动生物质氧化耦合产氢的可行性。我们发现尽管太阳能电压存在波动,只要维持足够的壳多糖反应浓度,析氧反应就可以得到有效的抑制,进而避免氢气和氧气的混合问题。极大的解决了碱性水分解过程中长期存在的非满负荷操作所存在的安全问题。

总结与展望


生物质原料因其储量丰富,成本低,在资源回收和能量利用方面极具价值。长期以来,却因为分子结构惰性,利用率低。随着各种生物质预处理技术的发展,耦合阴极产氢的生物质原料的电化学选择性转化逐渐成为可能。其不仅能解决阳极析氧半反应的高能耗问题,同时也能提高整个反应的灵活性(降低或者消除氢气和氧气混合的风险)。进而使得直接转化利用太阳能等可再生能源成为可能。更重要的是,生物质废物原料可以绿色环保的再循环利用,具有很大的环境效益。相信相关的研究也会越来越多。

课题组介绍


Zhou Yan博士,2008年于昆士兰大学获得化学工程博士学位,随后在南洋理工大学环境与水处理中心 NEWRI)担任研究员;2014 – 2019,南洋理工大学土木与环境工程学院(CEE)助理教授;2019年–至今,南洋理工大学土木与环境工程学院(CEE)副教授。主要研究方向:节能水处理和再生工艺;污泥预处理和脱水;生物固体中的营养回收和再利用;导电材料/系统增强的生物过程。目前担任Water Research Water and Environment Journal等期刊的副主编。
http://www.cee.ntu.edu.sg/aboutus/FacultyDir/Pages/yzhou.aspx

游波,男,华中科技大学化学与化工学院教授,博士生导师。2014年7月在中国科学技术大学邓兆祥教授课题组获得博士学位后,分别在美国犹他州立大学Sun Yujie、新加坡南洋理工大学Li Hong以及澳大利亚阿德莱德大学Qiao Shi-Zhang教授课题组从事博士后研究工作。研究兴趣主要集中在非贵金属纳米材料的合成及其在能源催化领域的应用。目前,已经在Accounts of Chemical Research, Nature Communications, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie, Joule, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, ACS Catalysis等杂志发表论文50余篇。
担任Joule, Nature Communications, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Energy & Environmental Science, Advanced Functional Materials等 60多种国际期刊审稿人,并荣获Web of Science “2019年交叉领域全球同行评议奖-Top 1%审稿人”。
http://faculty.hust.edu.cn/youbo/zh_CN/index/2260549/list/index.htm
游波老师课题组招聘有CO2电催化、有机小分子电合成以及热催化研究背景的博士后,待遇从优,详情请邮件联系youbo@hust.edu.cn。

Li Hong博士在新加坡南洋理工大学获得博士学位。毕业后,他被授予新加坡千禧基金会(SMF)博士后奖学金。2013年,他加入斯坦福大学机械工程系,担任博士后,主要研究二维材料的催化催化能量转换/存储。他还与三星合作开发可穿戴设备的健康监控生物传感器。Hong Li博士于2016年6月加入机械与航空航天工程学院,担任制造工业工程集群下的助理教授。他目前的研究工作集中于通过电化学装置的设计和电催化剂的工程进行能量转换。
https://dr.ntu.edu.sg/cris/rp/rp00952
Li Hong 教授课题组有材料和电子相关背景的博后职位空缺,感兴趣的可以直接邮件联系:ehongli@ntu.edu.sg。



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