基于摩擦纳米发电机的自驱动电解海水制氢系统设计及应用

研 究 背 景

发展氢能经济是我国向可再生零碳能源结构转型，实现“碳达峰、碳中和”目标的有效探索。电解水制备氢气具有绿色、高效、纯度高等特点，能够实现化石燃料的完美替代，并且氢气燃烧的终产物为高纯淡水，可实现资源的有效循环利用。但现有的电解制氢体系存在两个亟需解决的问题：

1）几乎所有的体系都使用淡水资源作为电解液，这无疑加剧了淡水资源短缺问题；

2）能耗巨大，成本超过4美元每公斤。这导致电解水制氢仅占全球氢气产量的4%。

文 章 简 介

该研究利用纳米发电机（TENG）收集环境中的风能转化为电能，有效降低用电成本；开发的NiCoP-MOF新型电极提高了电解制氢性能及稳定性，不仅可以直接利用天然海水为电解液，破解水资源短缺的瓶颈，而且相对于以前的基于纳米发电机的自驱动电解水的最高产氢效率提升了2.3倍。本研究为大规模自驱动电解海水制氢进行了有力探索，为有效利用海洋资源实现氢能经济及“碳中和”目标提供了有效的解决方案。

图1. 自驱动电解海水制氢系统的设计及原理。

本 文 要 点

要点一：摩擦材料对匹配

TENG的功率输出与其表面的电荷密度的二次方成正比，因此提高TENG的表面电荷密度是增强其功率输出的关键。本研究首次采用聚甲醛（POM）为摩擦层与聚四氟乙烯（PTFE）接触起电，实现了344.2 μC m-2的表面电荷密度。并根据前线分子轨道理论分析其电荷密度增大的起因，为后续材料选择提供了有效借鉴。

要点二：阻抗匹配实现高效整流

TENG的高电压低电流的输出特性与电解水制氢需要大电流低电压输入相左，因此需要对TENG的输出进行整流处理。同时由于TENG的阻抗较大（MΩ级别），需要在相应的负载下实现功率输出的最大值。基于此，本研究采用阻抗匹配原理，采用变压器将TENG的电流从1.42 mA增大到54.5 mA，并且实现了92.0%的转化效率。

要点三：直接采用天然海水为电解液

绝大多数的电解水制氢体系采用纯水为电解液制取氢气，这进一步加剧了淡水资源的紧张局面。本研究开发NiCoP-MOF催化剂提高电解制氢性能及稳定性，直接将天然海水为电解液，破解海水短缺的瓶颈，将氢气产率2.3倍提升了2.3倍，实现了1723.9 μL min-1 m-2的氢气产率。

审核编辑：刘清