Sodium Manganese Ferrite Water Splitting Cycle: Unravelling the Effect of Solid-Liquid Interfaces in Molten Alkali Carbonates

钠锰铁JD足球反波胆APP下载体水分解循环：揭示熔融碱金属碳酸盐中固液界面的影响

来源：ACS Applied Materials & Interfaces 2024, 16, 33270-33284

《美国化学会应用材料与界面》2024年第16卷33270-33284页


摘要内容

该研究探讨了用不同共晶/共析碱金属碳酸盐混合物替代钠锰铁JD足球反波胆APP下载体热化学水分解循环中的Na?CO?的效果。实验表明，使用共析混合物（Li?.??Na?.??）?CO?时，首次循环后JD足球反波胆APP下载生成速度更快，但所有混合物的JD足球反波胆APP下载产量随循环次数显著下降。研究发现，碳酸盐的部分熔化促进离子扩散，但熔融碳酸盐导致烧结现象加剧，降低循环可逆性。纯Na混合物表现出最高的JD足球反波胆APP下载生产可逆性，而高Li或含K的混合物在首次循环后几乎无JD足球反波胆APP下载生成。


研究目的

改进钠锰铁JD足球反波胆APP下载体热化学水分解循环的可逆性和反应动力学，降低操作温度，解决现有技术中因烧结和相稳定性导致的JD足球反波胆APP下载产量随循环下降的问题。


研究思路

材料替代：用低熔点的共晶/共析碱金属碳酸盐（如Li-Na、Li-K-Na混合物）替代纯Na?CO?，通过降低碳酸盐熔点改善反应动力学。


热力学计算：使用FactSage软件预测不同温度下MnFe?O?-碳酸盐混合物的相平衡。


实验验证：


热重分析（TGA）：测量碳酸盐分解温度及循环可逆性（图2、3，表1、2）。



JD足球反波胆APP下载生产测试：结合热重与JD足球反波胆APP下载微传感器，实时监测JD足球反波胆APP下载浓度（图2、图5c-f，表4）。


微观表征：XRD、SEM分析循环后材料相变与形貌变化（图3f、图6、图7）。


原位光学显微术：观察熔融碳酸盐对多孔MnFe?O?的润湿行为（图10）。


测量数据及研究意义

碳酸盐分解温度（图2/3，表1/2）：


共晶/共析碳酸盐的分解温度低于纯Na?CO?，验证其低温反应潜力。


意义：为降低循环操作温度提供依据。

循环可逆性（图3，表3）：


纯Na混合物在20次非JD足球反波胆APP下载化循环中保持13 wt% CO?释放量，而50% Li-Na和Li-K-Na仅释放8.3 wt%和6.9 wt%。


意义：揭示Li/K引入导致不可逆相（如LiFeO?）形成，降低可逆性。

JD足球反波胆APP下载产量（图5，表4）：


首次循环中，Na和7% Li-Na分别产氢1.10 mmol/g和0.87 mmol/g，但后续循环产量骤降。


意义：证明熔融碳酸盐虽加速反应动力学（图8），但烧结现象（图7）导致活性表面损失。

微观结构数据（图6/7/10）：


XRD显示循环后生成非化学计量相NaxMn?O?（图6），SEM显示Li-K-Na严重烧结（图7e-f）。


意义：阐明可逆性下降的微观机制（相变与烧结）。


结论

共析碳酸盐（7% Li-Na）：首次循环后反应动力学改善（氢峰前移），但熔融导致烧结加速，循环稳定性低于纯Na。


高Li/K混合物（50% Li-Na、Li-K-Na）：因形成稳定相（如LiFeO?）和严重烧结，几乎无循环可逆性。


纯Na混合物：虽反应动力学较慢，但烧结程度低，可逆性最佳。


未来方向：需优化材料制备（如纳米结构调控）以抑制烧结，同时探索其他阳离子掺杂策略。


JD足球反波胆APP下载电极测量数据的详细研究意义

使用丹麦JD足球反波胆APP下载 H?微传感器测量的JD足球反波胆APP下载浓度数据（图5c-f，表4）


具有以下意义：

反应效率验证：直接量化水分解步骤的JD足球反波胆APP下载产率，验证热力学模型预测（如首次循环产氢1.10 mmol/g与理论值1.28 mmol/g的吻合度）。


动力学分析：通过JD足球反波胆APP下载释放时间曲线（如7% Li-Na在第二/三循环中氢峰前移，图8b-c），揭示熔融碳酸盐促进离子扩散的瞬态效应。


循环衰减机制：JD足球反波胆APP下载产量随循环次数骤降（如Na在第五循环仅产0.01 mmol/g），结合XRD/SEM数据，明确烧结与非化学计量相生成是主因。


实际应用指导：数据表明需在反应动力学与材料稳定性间权衡，为设计工业化反应器（如优化温度-时间参数）提供实验依据。