制氧机 氧气来源：氧气纯度和高能量效率的制氧机

制氧机 氧气来源：氧气纯度和高能量效率的制氧机因此，这种技术无法满足原位O2生产和持续O2供应的要求，以应对新冠肺炎压力下医院的各种意外紧急情况。另一方面，变压吸附技术更适合于小型或中型应用，以满足现场O2生产的需求。它可以从周围环境的空气中分离出O2，并通过固体吸附剂上的多次吸附-解吸过程逐渐提高其纯度。然而，变压吸附技术只能产生纯度为93% 3的有限氧气。迄今为止，同时实现恒定、便携、节能和原位生产高纯度O2的技术尚未在氧气生产工业中实际实现。由于2019年12月以来冠状病毒疾病2019(新冠肺炎)的全球爆发，全球医疗系统对医用级氧气(≥ 99.5% O2纯度)的需求突然激增。现阶段，制氧行业普遍采用物理的空气分离策略，主要依靠低温蒸馏和变压吸附技术。尽管低温蒸馏技术是生产用于氧气瓶的高纯度氧气(99 % O2纯度)的主要方式，但它需要庞大而复杂的生产设备，以及大量的能量消耗，并且强烈依赖于发达的运输和安全能力来输送产生的O2。通

吴宇恩教授、林森教授，AEM观点：99.9%氧气纯度和高能量效率的制氧机

【文章信息】

99.9%氧气纯度和高能量效率的电化学制氧机

第一作者：张钰

通讯作者：吴宇恩*，林森*，赵长明*

单位：中国科学技术大学，福州大学，安徽熵卡科技有限责任公司

【研究背景】

由于2019年12月以来冠状病毒疾病2019(新冠肺炎)的全球爆发，全球医疗系统对医用级氧气(≥ 99.5% O2纯度)的需求突然激增。现阶段，制氧行业普遍采用物理的空气分离策略，主要依靠低温蒸馏和变压吸附技术。尽管低温蒸馏技术是生产用于氧气瓶的高纯度氧气(99 % O2纯度)的主要方式，但它需要庞大而复杂的生产设备，以及大量的能量消耗，并且强烈依赖于发达的运输和安全能力来输送产生的O2。

因此，这种技术无法满足原位O2生产和持续O2供应的要求，以应对新冠肺炎压力下医院的各种意外紧急情况。另一方面，变压吸附技术更适合于小型或中型应用，以满足现场O2生产的需求。它可以从周围环境的空气中分离出O2，并通过固体吸附剂上的多次吸附-解吸过程逐渐提高其纯度。然而，变压吸附技术只能产生纯度为93% 3的有限氧气。迄今为止，同时实现恒定、便携、节能和原位生产高纯度O2的技术尚未在氧气生产工业中实际实现。

【文章简介】

近日，中国科学技术大学的吴宇恩教授与福州大学的林森教授合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Electrochemical oxygen generator with 99.9% oxygen purity and high energy efficiency”的文章。该文章介绍了采用电化学技术制造的一个氧气发生装置。

通过对于电池装置，反应机理，催化剂等方面的共同优化，成功地电化学制氧机的性能提升到可实际应用的水平，并最终实现了在高能效下长期、稳定、快速生产高纯氧气。在实际用户体验方面，电化学制氧机也表现出了强大的竞争力，体现在产生的氧气纯度达到医用级(99.9%)，体积轻巧，便于携带和运输(4.7千克)，在应对突发紧急情况时可几乎瞬间产生氧气(< 1秒)，有利于患者的安静工作条件(< 39分贝)，持续提供氧气的长期稳定性(> 200小时)。

制作的电化学制氧机弥补了氧气钢瓶运输和储存不便以及变压吸附氧气发生装置氧气纯度不足的缺点。它可以直接快速地向患者提供高纯度的氧气。我们的工作不仅设计了一种便携式、低成本、节能的原位制氧装置，更重要的是将制氧领域长期忽视的电化学策略发展成为一种具有工业应用意义的可行技术。

图1. 三种氧气生成技术(a、b、d)的对比示意图，以及此项工作和其他研究(c)中电化学电池的性能参数对比。a) 低温蒸馏技术为氧气瓶生产纯度超过99%的O2，但是在需求突增的紧急情况下，由于运输和储存问题，不能满足供应。b) 变压吸附技术可以实现原位生产O2，但生产的O2纯度达不到医用级氧气的标准。(c)本工作和其他研究中电化学电池性能参数的比较。d、EOG技术可以原位生产纯度为99.9%的O2并快速供应给需求者。

【本文要点】

要点一：优化电化学制氧电池的极化电阻

在先前的研究中，电化学制氧策略曾在实验室中被证实可用于制造氧气发生装置。然而，受到原始电池结构和催化剂性能的限制，电化学电池表现出相对低的电流密度、差的能量效率和弱的稳定性，因此没有进一步发展成可应用的装置。

因此，几十年来，电化学策略并没有得到应有的重视。电化学制氧电池的性能主要受三种极化电阻的影响，即

(1)电化学极化:来源于阴极氧气还原反应（ORR）和阳极氧气析出反应（OER）的活化势垒；

(2)浓差极化:在高电流密度下，阴极ORR过程中气体迅速耗尽，导致整个反应速率减慢；

(3)欧姆极化:源于电解质中离子传导的欧姆损耗。

为了将电化学制氧电池的性能提升至可实际应用的水平，我们针对以上三种极化电阻做了优化。通过在制氧机理、电催化剂和电池结构方面进行了具体的改进，从而有效地提高了电化学制氧电池的性能。

要点二：优化制氧机理

电化学制氧是通过两个电催化反应实现的。通过阴极ORR从空气中提取O2，然后通过阳极OER产生O2。在碱性条件下，ORR和OER反应可以通过两条途径发生，即4电子转移（4ET）和2电子转移（2ET）途径。4ET途径采用OH-作为中间物种，而2ET途径采用HO2-作为中间物种。在ORR和OER过程中，与4ET途径相比，2ET途径仅消耗一半的电子。在先前的一些报道中也已经证实了2ET路线比4ET路线更节能。因此，我们采用2ET路线作为氧产生机制，可以有效地降低电极反应中的固有能量消耗。

要点三：优化电催化剂

制备了具有高2电子选择性的催化剂氧化碳球，具有价格低廉、制备方法简单、可宏量生产等优点，其最佳2电子选择性可达到97.5%。通过DFT计算验证了氧化碳球表面的羧基为主要的2ET的活性位点。实验结果证实通过采用2ET-ORR和2ET-OER过程，电化学电池中电化学反应的固有能耗被有效地降低了。

图2，经由2ET或4ET途径的ORR-OER机制；b)特定臭氧处理时间后O-C催化剂的表面氧含量；C)具有不同表面氧含量的O-C的O 1s区域的XPS光谱；L-O-C (18.8%)和O-C-18.8%的C K边d)和O K边e)的NEXAFS光谱；f) DFT计算2ET-(红色)和4ET-(蓝色)ORR火山图。

要点四：优化电池结构

在实际的电化学反应系统中，欧姆极化带来的电解池内阻会引起明显的电位降，这可能引起副反应并显著降低能量效率。因此，我们采用了膜电极体系用于电化学制氧装置。合成了咪唑功能化的碱性阴离子交换膜（AEM），并将其置于阴极气体扩散电极和阳极之间。这种紧凑的夹层结构使电极实现了“零间隙”，最大程度地降低了欧姆损耗，特别是通过降低热量产生来提高电池系统的稳定性。此外，AEM仅允许阴离子通过，但完全阻挡空气，这在获得高纯度O2方面起着非常关键的作用。

图3. (a)电化学制氧电池的分解示意图，(b)数码照片，(c)工作机制示意图。(d)工作面积为16 cm2的电化学制氧单元电池的I-V曲线及(e)Pt/C和一系列O-C催化剂的法拉第效率。100 cm2工作面积的电化学制氧单元电池的(f) I-V曲线，(g)Pt-C和L-O-C (18.8%)的法拉第效率和O2产生速率。

要点五：

将本研究中设计的电化学制氧装置的主要性能指标与商业变压吸附装置在能效、氧气纯度、噪音水平、重量和启动时间方面进行了比较，结果表明，在相同的O2产生速率(1.5升/分钟)下，电化学制氧装置的能量效率达到了各种商用变压吸附装置的可比水平。EOG装置产生的O2纯度高达99.9%，而变压吸附装置测得的O2纯度仅为93.6%。

此外，测试变压吸附装置的空气压缩机产生的噪音高达93.6 dB(相当于汽车发动机的启动声)，可能对患者造成负面副作用。相比之下，电化学制氧设备的噪声水平仅为38.5 dB(相当于笔记本电脑的工作声音)，更适合在家中或病房中应用。

在便携性方面，变压吸附装置重约15.6 kg，其中不可替代的空气压缩机和吸附罐在重量中占了很大比例。相对而言，电化学制氧装置重仅重约4.7千克，实现了便携式原位制氧。在启动时间方面，通过变压吸附装置获得浓度较高的氧气需花费约20秒。而电化学制氧装置几乎可以即时产生医疗氧气，可以很好地满足各种情况下的紧急需求。以上对照数据可以看出，电化学制氧装置显示出明显优于商用变压吸附装置的用户体验(O2纯度、能效、启动时间、重量和噪音水平) 在氧气生产领域可能展现出巨大的市场潜力。

图4. (a)包括9个单元电池的EOG电池组的结构示意图。(b)具有100 cm2工作面积的电化学制氧电池堆的I-V曲线和O2产生速率。电化学制氧电堆的稳定性测试。显示(d) 电化学制氧和(e) 变压吸附装置的O2纯度和噪音对比的照片。(f)显示电化学制氧装置和变压吸附制氧设备用户体验对比的五星图表。

【文章链接】

Electrochemical oxygen generator with 99.9% oxygen purity and high energy efficiency

https://doi.org/10.1002/aenm.202201027

【通讯作者简介】

吴宇恩教授，中国科学技术大学应用化学系教授，中国科学技术大学第一附属医院兼职教授，博士生导师，教育部长江特聘教授。近些年来专注于单原子、团簇催化剂的理性设计及精细调控，并将其应用于能源小分子（如H2、O2、CO2等）“化学键”的精准活化和电化学器件上。

2015年来，在国际主流期刊发表学术论文100余篇，包括Nat. Catal. 3篇，Nat. Commun. 5篇、J. Am. Chem. Soc. 9 篇、Angew. Chem. Int. Ed. 12篇，Adv. Mater 5篇，PNAS 1 篇，Joule 1篇，Chem 2篇，Energy. Environ. Sci. 1篇等，近5年内，论文总引用14000余次，32篇ESI高被引论文（前1%），8篇ESI热点论文（前1‰），2020-2021年入选科睿唯安高被引科学家。

目前担任期刊Science Bulletin副主编，Science China Materials编委，Small Methods 客座编辑（单原子催化专刊），无机化学学报青年编委。Chemical Research in Chinese Universities 青年编委，内燃机协会燃料电池分会委员。

林森教授，博士生导师。本科毕业于四川大学化学学院，2006年保送至南京大学化学化工学院，师从谢代前教授。2011年获得博士学位后加入福州大学，目前在福州大学能源与环境光催化国家重点实验室团队，任基础理论课题组组长，2021年入选福建省“雏鹰计划”青年拔尖人才。曾两次赴美合作交流（Hua Guo Group），从事多相催化理论研究，发表论文100余篇，

其中第一作者/通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Sci. Adv.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem、ACS Catal.、Chem. Sci.、Adv. Energy Mater.、J. Catal.等重要期刊发表论文80余篇，近20篇影响因子大于10，6篇被选为封面报道，6篇曾入选全球高被引论文，参与编著英文著作2部，所有论文被他引5000余次。工作以来，主持项目10余项，其中包括国家自然科学基金面上项目2项，青年项目1项，福建省自然科学基金重点项目1项，多次应邀在国际国内学术会议做邀请报告。

赵长明博士，现任安徽熵卡科技有限公司CEO，中国科学技术大学先进技术研究院单原子催化与应用实验室专家组成员。毕业于中国科学技术大学，应用化学系博士，师从长江特聘教授吴宇恩教授，2021年中科院院长奖获得者，在国际知名期刊J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Edit. Adv. Mater.，Joule等发表多篇论文，论文共计SCI引用1500余次，发表发明专利1项。开发电子氧肺（E-Lung）技术，近年来致力于打造中国自主知识产权的电化学高效气氛调控解决方案，并将其应用于制备高纯氮气、氧气以及除氧及空分领域。