今日Science：电解水经常被忽视的一个关键问题！
微著
2020-08-31
通讯作者：Sebastian Z. Oener，Shannon W.Boettcher1．通过构建双极膜结构电解池，考察水解离过程在电解水反应中的作用2．该双极膜结构电解池同样适用于电解CO2、N2等水参与的反应以往的电催化水分解中受到含水溶液的pH值和溶液酸碱性影响较大，但是该问题未受到重视。催化水解离（water dissociation）生成氢和氢氧根（H2O → H++ OH-）是构建双极膜BPM（bipolarmembranes），进而将不同pH环境耦合到一个电化学装置中，从而得以加速中性、碱性环境中的电催化水分解反应。探索调控水分解反应路径，将水解离为H+和OH-，再进行分解水，从而降低电催化反应中对pH的需求。有鉴于此，俄勒冈大学Sebastian Z. Oener、Shannon W.Boettcher等报道了对双极膜电解槽进行设计，并定量测试催化分解水动力学。尤其是金属纳米粒子的碱性HER反应活性和水解离过程有相关性。实现了在20 mA cm-2电流密度中以＜10 mV过电势进行电催化WD反应。通过将碱性阳极和酸性阴极结合，在500 mA cm-2电流密度中进行反应，总电解电压~2.2 V。双极膜（BPM）组成：阳离子交换层（CEL）、阴离子交换层（AEL）。当在BPM中加入偏压，能够引发水解离反应H2O → H++ OH-。该反应发生在AEL/CEL界面上，生成的H+穿过CEL，OH-穿过AEL。通过对~40种金属、金属氧化物构建~30种材料，将18.2 MΩ·cm的水作为电解质组装为双极电解槽，同时该双极电解槽包围在集电器（Ti/Pt-frit）。当在酸性端阳离子交换层（AEL）加载Sb:SnO2，碱性端阴离子交换层（CEL）加载NiO、IrO2等材料展现出较高的性能。作者发现NiO（在水中以氢氧化物形式存在），是效果优异的碱性水解离催化剂；TiO2是在酸性/碱性环境中都稳定的水解离催化剂。作者通过在Pt，Ir，Ru，Rh，PtRu，PtIr纳米粒子上250℃中进行原子层沉积TiO2，发现实现显著改善水解离、碱性HER催化活性（降低过电势），作者认为该过程氧化物改善水解离、稳定M-H中间体双重作用。通过将NiO、IrO2上修饰约10层TiO2原子层作为AEL，在20 mA cm-2电流密度中和50 ℃的纯水环境中实现了以＜10 mV（±9）过电势进行电催化WD反应。并且即使在非常高的电流密度工作过程中，所需水解离过电势仍非常低。通过将碱性阳极和酸性阴极结合，在0.2 A cm-2电流密度中进行电催化分解水反应，总电解电压~1.9 V，且水解离过电势约＜0.25 V。作者认为，该技术的进一步发展，能够实现在2 A cm-2电流密度，在非常低的水解离作用中进行分解水反应。Sebastian Z. Oener*, Marc J. Foster, Shannon W. Boettcher*. Accelerating water dissociation in bipolar membranes and forelectrocatalysis, Science 2020, 369, 1099-1103DOI: 10.1126/science.aaz1487https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1099
