本课题组主要研究（1）能量的转化、储存和应用技术，以及（2）电池的循环生产技术。

1   能量的转换、储存和应用技术

1.1   电解水制氢

研究意义和内容：电解水制氢是一种可以方便而且大规模使用的电能消纳技术。过程消耗水，产生氢气和氧气，因此是未来能直接用作太阳能储存技术，也是氢能源技术的重要支撑技术，因此非常重要。目前可工业化应用的技术有普通碱性电解槽和PEM电解槽两种。前者的问题主要是时空产能较小；后者则设备非常昂贵，一次投入成本较高。两种技术都还存在能耗较高的问题，需要进一步优化。

本项目研究将碱性电解槽和PEM电解槽优点合二为一的技术，即碱性水凝胶离子导体隔膜制氢技术。

主要成果：如下专利描述了碱性水凝胶离子导体隔膜制氢技术。研究正在加紧进行中。

图1.1-1   碱性水凝胶离子导体隔膜制氢装置示意图

代表性论文、专利申请：

1  雷立旭，“一种胶体电解质膜以及电解水装置”，中国发明专利，ZL 2017 10001524.6，申请日：2017.01.03，授权公告日：2018.09.07

1.2   CO₂的电化学还原过程与太阳能收获

研究意义和内容：通过光伏效应产生电，然后利用电化学方法大规模还原CO₂产生有用的有机物和氧气是一种人工光合过程。该过程既能减少CO₂排放，又能产生氧气和能源材料/化工原料，还能用作太阳能收获与储存技术。研究对社会经济可持续发展和未来的能源生产和供应极其重要。

本项目主要研究CO₂电化学还原制甲酸或草酸的过程。

主要成果：在下述论文1中，我们报道了无水乙腈中，在不锈钢电极上还原CO₂为草酸盐的实验观察；论文2报道了KHCO₃水溶液中Sn电极上CO₂还原为甲酸盐的研究，该反应的法拉第效率与产物甲酸的浓度有关，在甲酸浓度低于0.01 mol/L时，法拉第效率可以达到91%以上；论文3研究了论文2发现的法拉第效率与产物甲酸的浓度有关的现象，提出并使用了Nafion膜包覆的Pt阳极。结果发现，它可以使允许的甲酸浓度提高到0.12 mol/L，而反应的法拉第效率可以达到61.3%以上。该研究说明，阳极副反应对CO₂电化学还原影响很大，因此也导致了专利5。

为了提高过程的时空产能，我们设计了一种新的电化学反应器——“仿生电化学池”（专利6）。该反应器可以使电解液单向流动，从而加速电极间物质的迁移，同时采用气体扩散电极来帮助CO₂快速到达电极，O₂尽快离开电极的目的，从而提高过程的时空产能（论文4）。

图1.2-1   仿生电化学池示意图（左）和电解液流速对电流密度的影响（右）

图1.2-2   不同电解槽设置中，（a）电流密度；（b）法拉第效率和时空产率与电极电势的关系

为了解决CO₂获得的问题，我们利用电解水装置中阴阳两极pH不同的现象，设计了CO₂捕集装置（专利7、8），让阴极区吸收CO₂，阳极区释放CO₂。该装置也可用于密闭空间中CO₂的脱除。

图1.2-3   CO₂捕集和提纯装置的示意图（左）及发明专利中相应的描述

代表性论文、专利申请：

1.Weixin Lv, Rui Zhang, Pengran Gao, Chunxia Gong, Lixu Lei, “Electrochemical reduction of carbondioxide on stainless still electrode in acetonitrile”, Advanced Materials Research, 807-809, 1322-1325 (2013)

2.Weixin Lv, Rui Zhang, Pengran Gao, Lixu Lei, “Studies on the faradaicefficiency for electrochemical reduction of carbon dioxide to formate on tinelectrode”, Journal of Power Sources,253, 276-281 (2014) http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.12.063

3.Rui Zhang, Weixin Lv, Guanghua Li, Mohammed AdnanMezaal, Xiaojing Li, Lixu Lei,“Retarding of electrochemical oxidation of formate on the platinum anode by acoat of Nafion membrane” , Journal ofPower Sources, 272, 303-310 (2014)http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.08.086

4.Fajun Li, Zhenzhen Fan, Jian Tai, Huimin Wei,Yanqing Zhou and LixuLei, “Promoting theElectrochemical Reduction of Carbon Dioxide by a specially designed BiomimeticElectrochemical Cell”, Industrial & Engineering Chemistry Research, 57, 12307−12313(2018)http://dx.doi.org/10.1021/acs.iecr.8b02031

5.雷立旭，吕伟欣，张瑞，“降低甲酸在电极上被氧化的阳极及其制备方法”，中国发明专利，ZL201410315897.7，申请日：2014.07.03，授权公告日：2017.02.01

6.雷立旭，张瑞，李光华，“仿生电化学池”，中国发明专利， ZL201510098884.3，申请日：2015.03.05；授权公告日：2017.03.01

7.雷立旭，李发骏，赵肖媛，侯培杰，卢莹炜，“用于二氧化碳分离和提纯的装置”，中国发明专利，ZL201610029438.1，申请日：2016.01.15，授权公告日：2018.08.21

8.雷立旭，赵肖媛，李发骏，冯子杰，郝金祎，“一种用于二氧化碳捕集和提纯的装置及方法”，中国发明专利，ZL201611055264.2，申请日：2016.11.25，授权公告日：2019.02.01

1.3   高性能铅酸电池电极材料

研究意义和内容：铅酸电池是二次电池中最古老的工业化可充电电池（二次电池），它曾经是第一辆具有汽车外形的车辆的能源，也是目前产值占所有电池产值一半以上的电池。铅酸电池价廉物美，在国民经济活动中有极其重要的地位，但是其活性物质的利用率仍然很低，是目前市场上能量密度最低的二次电池。因此，通过提高其活性物质的利用率，提高铅酸电池的能量密度极有意义，也就当然地成为了本课题的研究内容。

主要成果专利、著作版权等