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成果掠影 & 研究背景
在全球清潔能源轉(zhuǎn)型的進(jìn)程中，氫能憑借其獨(dú)特優(yōu)勢成為關(guān)鍵的能源載體。它能夠?qū)⒖稍偕茉矗ㄈ缣柲?、風(fēng)能等）以化學(xué)能的形式高效存儲(chǔ)，有效解決了可再生能源供應(yīng)的間歇性問題，推動(dòng)其持續(xù)穩(wěn)定利用。同時(shí)，在全球市場中，氫能作為一種清潔的能源商品，有助于滿足各主要經(jīng)濟(jì)體和新興經(jīng)濟(jì)體之間的碳中和協(xié)議要求，因此，清潔高效的制氫技術(shù)研發(fā)備受關(guān)注。
然而，傳統(tǒng)光伏-堿性水電解（PV-AW）系統(tǒng)受限于析氧反應(yīng)（OER）動(dòng)力學(xué)緩慢，在實(shí)用電流密度（>100 mA cm?2）下的太陽能-氫能（STH）轉(zhuǎn)換效率通常低于20%，導(dǎo)致制氫成本高昂。因此，題為“A photovoltaic- electrolysis system with high solar- to- hydrogen efficiency under practical current densities”的文章提出一種新型高效PV-AW系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)Fe?O?-NiOxHy復(fù)合催化劑和定制化電解槽，結(jié)合聚光光伏（CPV）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了29.1%的STH效率（排除導(dǎo)線電阻損失后達(dá)30.3%），在240 mA cm?2的高電流密度下仍保持優(yōu)異性能。該催化劑在1.8 V電壓下實(shí)現(xiàn)1 A cm?2的電流密度，并表現(xiàn)出48 kWh/kg H?的低能耗，為低成本綠氫規(guī)?；a(chǎn)提供了新思路。
本文創(chuàng)新亮點(diǎn)：
1.高效催化劑設(shè)計(jì)：Fe?O?-NiOxHy界面工程突破傳統(tǒng)OER活性限制；
2.界面電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制：電子從NiOxHy向Fe?O?轉(zhuǎn)移，優(yōu)化氧中間體吸附；
3.系統(tǒng)集成創(chuàng)新：CPV與高電流密度電解槽匹配，推動(dòng)STH效率邁向30%門檻。
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研究內(nèi)容 & 圖文數(shù)據(jù)
（1）合成與表征
要點(diǎn)精讀：
1.通過水熱法在弱堿性環(huán)境中合成Fe?O?-NiOxHy復(fù)合催化劑，鎳泡沫基底上形成褶皺狀納米片結(jié)構(gòu)。
2.超小Fe?O?納米顆粒（5-10 nm）均勻負(fù)載于NiOxHy納米片表面，界面處存在電子相互作用。
3.X射線吸收譜（XAS）顯示Fe?O?富電子態(tài)，氧空位豐富，增強(qiáng)OER活性。
圖1 Fe?O?-NiOxHy催化劑的微觀結(jié)構(gòu)及元素分布分析
（2）電催化OER性能
要點(diǎn)精讀：
1.Fe?O?-NiOxHy電極在1 M KOH中僅需230 mV過電位即可達(dá)到100 mA cm?2電流密度，優(yōu)于傳統(tǒng)NiFe催化劑。
2.在1.8 V電壓下實(shí)現(xiàn)1 A cm?2的高電流密度，且穩(wěn)定運(yùn)行50小時(shí)無衰減。
3.同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)表明，催化過程中存在晶格氧交換機(jī)制，支持雙功能反應(yīng)路徑。
圖 2 Fe?O?-NiOxHy催化劑的OER性能及反應(yīng)機(jī)理研究
（3）系統(tǒng)集成與STH效率
要點(diǎn)精讀：
1.定制化堿性電解槽與CPV組件集成，在240 mA cm?2電流密度下實(shí)現(xiàn)29.1%的STH效率。
2.系統(tǒng)能耗低至48 kWh/kg H?，較傳統(tǒng)電解槽降低30%以上。
3.理論計(jì)算表明，Fe與Ni位點(diǎn)協(xié)同優(yōu)化中間體吸附能，加速OER動(dòng)力學(xué)。
圖 4 甲烷干重整催化性能
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總結(jié) & 原文鏈接
本文介紹的光伏 - 堿性水電解（PV - AW）系統(tǒng)，通過創(chuàng)新的設(shè)計(jì)在制氫領(lǐng)域取得顯著突破。在高效催化劑設(shè)計(jì)上，采用 Fe?O? - NiOxHy 界面工程，突破了傳統(tǒng)析氧反應(yīng)（OER）活性的限制；從界面電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制來看，電子從 NiOxHy 向 Fe?O?轉(zhuǎn)移，優(yōu)化了氧中間體的吸附；系統(tǒng)集成方面，聚光光伏（CPV）與高電流密度電解槽相匹配，使太陽能 - 氫能（STH）轉(zhuǎn)換效率邁向 30% 的門檻，達(dá)到了 29.1%（排除導(dǎo)線電阻損失后為 30.3%） 。該技術(shù)在應(yīng)用前景上潛力巨大，有望降低綠氫生產(chǎn)成本，加速氫能的規(guī)?；瘧?yīng)用，進(jìn)而助力全球碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads0836
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