mile米乐官方网站 演示一种电解电压为09V或更低的水制氢的方法

米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）零排放国际协同研究中心人工光合作用研究团队首席研究员三石佑吾、佐山和弘首席研究员具有低成本生产绿色氢的潜力光触媒－我们开发了一种流通式电解混合系统，并证明可以在09V或更低的电解电压下分离和生产氢气和氧气，该电压低于水分解的理论电解电压（123V）。此外，氧化钨 (WO₃)基光催化剂的性能即使经过10,000小时以上的光照射实验，也几乎保持不变。

此结果将于 2024 年 10 月 25 日发布，名称为“ACS 应用材料与界面

CO，即使燃烧₂，预计将作为碳中和的关键技术应用于广泛的领域。氢根据其生产方法进行颜色编码，由太阳能和风能等可再生能源生产的绿色氢预计将为脱碳做出重大贡献。然而，由于电力成本较高，主要通过电解生产的绿氢比其他方法生产成本更高。

AIST正在研究“使用光催化剂-电解混合系统的水分解方法”作为降低绿色氢生产成本的候选技术。在该方法中，在将水氧化成氧气的同时，Fe³⁺Fe离子²⁺还原成离子和 Fe 的光催化反应²⁺Fe离子³⁺通过将其与将水还原为氢气同时将其氧化为离子的电解反应相结合，水分解作为整体反应分别产生氢气和氧气。在第一个光催化反应中，光能作为化学能储存在铁盐水溶液中。在后续的电解中，储存的化学能可以作为制氢的能量，因此所需的电解电压低于正常水分解所需的电压（123V）。因此，它具有减少制氢所需电力消耗的特点。 AIST 之前进行了可见光响应 WO₃我们开发了一种可以提高光催化反应速率的表面处理方法，将第一阶段光催化反应的效率提高10倍以上。2010 年 3 月 11 日 AIST 新闻稿)。然而，光催化反应是通过将光照射到其中悬浮有光催化粉末的反应溶液上来评价的，并且实际上，结合随后的电解，已经评价了使用光催化剂产生的Fe。²⁺我不知道在低电压下生产氢气同时有效消耗离子的整个系统。这次，通过开发利用光催化剂-电解混合系统的水分解优点的流动式整体系统，我们证明可以以低功耗有效地生产与光催化剂反应效率相对应的量的氢气。

这项研究是国家研究开发机构新能源产业技术综合开发机构 (NEDO) 委托项目的成果（P16002“碳回收、下一代火力发电等技术开发”（2020-2024 年））。

光触媒-电解混合技术用于水分解的电解池通常用于普通水分解质子交换膜电池被选中。另外，为了捕捉大量太阳光以进行光催化反应，使用易于扩大到大面积的反应槽是有效的。此外，通过光催化反应在溶液中生成Fe²⁺由于需要有效地将离子传送到电解池，因此我们开发了一种流动式反应装置，其中光催化剂粉末固定在片材上，并且仅溶液循环。图1显示了（A）包含新开发的光催化片的光催化反应槽的外部照片和详细配置，（B）与PEM电池组合的流通式反应器的图，以及（C）使用它们的水分解测试的结果。当向该小流量装置的PEM电池施加09V的施加电压的同时开始对光催化反应槽进行光照射时，观察到源自氢生成的电流。

接下来，我们将光触媒片制作得大约13倍大（25厘米）²⇒ 330 厘米²）并通过水上置换收集氢气和氧气。首先，我们仅用光照射光催化片来确定光催化反应的速度。²⁺根据离子产生速率进行评估。结果，如图2左侧所示的图表所示，Fe²⁺有效地产生离子并产生相应化学计量的氧气。此时光能转化为化学能的转换效率为031%，与悬浮状态下的常规评价相当。接下来，停止光照射，以200mA的恒电流模式进行电解反应。结果，电流在低于09V的施加电压下开始流动（图2右侧），并且可以收集与消耗的电量相对应的化学计量的氢气。这样，即使当光催化反应和电解反应分开驱动时，也能保持高光催化性能，并且能够以降低的功耗产生氢气。已经证实，即使将铁盐水溶液放置在大气中约两个月，通过光催化反应储存在铁盐水溶液中的化学能也不会减少。因此，我们可以响应氢气生成的时间变化以满足需求。

图3显示了光催化剂的长期耐久性测试结果。如图3（A）所示，在使用水浴将液体温度控制在35℃的环境中添加10000μmol Fe³⁺用模拟太阳光照射在含有离子的铁盐水溶液中沉淀的光催化剂。结果，光照射240小时后，Fe³⁺由于光催化反应，大约 80% 的离子是 Fe²⁺转换为离子。这个铁²⁺根据产生的离子量，我们重新使用了催化剂，并继续再次评估相同的光催化反应。重复 42 个循环后的 Fe²⁺图3(B)显示了产生的离子量的比较结果。在总共10080小时的光照射实验中，Fe²⁺维持离子产生量并且未观察到恶化。该光照射总量相当于日本约7年的室外阳光照射量。

图4显示了使用实际阳光进行的现场实验的评估结果。在该现场测试中，电解和光催化反应同时驱动。结果，根据测试当天太阳辐射的变化（图4（A））观察了氢气产生的当前值（图4（B））。经证实，氢气的产生量与根据施加的电量估算的理论量具有良好的相关性（图4（C）），并且几乎所有的输入电力都用于氢气的产生。即使使用实际的太阳光时，光量以这种方式波动，我们也能够确认根据照射的光量可以产生理论量的氢。

未来，我们的目标是提高光催化剂的性能，推动有效利用长波长光的光催化反应的发展。此外，我们还将对该方法进行大规模示范，并进行详细的制氢成本估算，努力实现经济合理的绿色制氢技术。

已出版的杂志：ACS 应用材料与界面
论文标题：可扩展的水分解成 H 的演示₂还有O₂通过使用高度稳定的光催化剂的流式光催化-电解混合系统
作者：Yugo Miseki、Michiko Tamano、Kenta Watanabe 和 Kazuhiro Sayama
DOI：https://doiorg/101021/acsami4c12781

光触媒

光催化剂是受光吸收激发而引起氧化和还原反应的催化物质。有异质半导体光催化剂和均质染料光催化剂，但本次介绍将重点关注前者。半导体催化剂具有电子能带结构，其中导带和价带被禁带分开。能量大于带隙的光将价带中的电子激发到导带，在导带中产生电子，在价带中产生空穴。激发到导带的电子比价带电子的还原能力强得多，可以引起各种还原反应。同样，空穴也会发生强烈的氧化反应。在该反应中，水被空穴氧化并产生氧气。另一方面，激发到导带的电子是 Fe³⁺，Fe²⁺生成[返回来源]

氧化钨 (WO₃)基光催化剂

氧化钨 (WO₃)是一种黄绿色可见光响应半导体。根据制备方法的不同，它可以吸收波长短于480 nm的光。在环境净化领域，通过在其表面负载铜或钯助催化剂，也表现出较高的有机物分解性能。 WO在这里₃光触媒是WO₃指用氯化铯、硫酸、铁离子对粉末进行表面改性而制成的光催化剂。 WO 具有这种表面改性₃基于未改性WO的光催化剂的性能₃相比，提高了 10 倍以上[返回参考源]

PEM电池（PEM型电解池）

PEM是聚合物电解质膜的缩写，主要用于利用阳离子交换固体聚合物膜促进水电解反应的电解池通常被称为PEM池。它具有电阻损耗低、电流密度高、反复启动和关闭后仍具有高耐用性等优点。[返回来源]