目前,工业上大规模制备H2的主要方法为水汽变换(WGS)反应,一方面,该反应过程条件苛刻,通常需要在高温(180-250℃)和高压(1.0-6.0MPa)的条件下进行。另一方面,WGS反应除了需要苛刻的反应条件,其反应产物往往含有约1-10%的一氧化碳(CO)残留物,以及二氧化碳(CO2)和甲烷等副产物,需要进一步的分离纯化才能进行下游的应用。
邓德会团队经过长期探索,将传统的WGS反应与电化学方法相结合,并巧妙地将WGS的氧化还原反应拆分为彼此分离的两个半反应,首次提出了一种能在常温常压下直接制备高纯H2的电化学水汽变换概念。
在EWGS反应中,CO在阳极发生氧化反应,生成的CO2与电解质KOH进一步反应生成碳酸钾,这样避免了CO2的排放;同时水在阴极直接被还原生成高纯H2。并且巧妙地利用阴离子交换膜将阴阳两极分隔开,在保持溶液离子平衡的同时还能够分隔两极产物,从原理上避免了传统WGS反应中H2需要分离提纯的过程。
该团队还通过在催化剂中添加铜(Cu)合成铂铜(PtCu)催化剂,进而提高催化剂的活性和稳定性。在常温常压条件下实现99.99%高纯氢的制备并且达到接近100%的产氢法拉第效率。并通过与大连化物所苏海燕研究员等合作,通过理论计算的方法证明了Cu的引入可以有效减弱CO在铂(Pt)上的吸附,进而有效避免催化剂的中毒,实现该催化剂在EWGS反应中的高活性和高稳定性。