分步產氫-產氧的酸性電解水體係研究獲進展

據能源材料化學協同創新中心網站報道：近日，iChEM研究人員、複旦大學王永剛教授、夏永姚教授課題組利用一種具有電化學活性的高分子---聚三苯胺（polytriphenylamine）
，首次組裝了一種無需質子交換膜、可分別進行產氫或產氧過程的新型太陽光分解水器件。相關研究成果(“Decoupling Hydrogen and Oxygen Production in Acidic Water Electrolysis Using Polytriphenylamine-based Battery Electrode”)近期在Angew. Chem. Int. Ed. 在線發表。（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 2904-2908, DOI: 10.1002/anie.201800436）。論文的第一作者為複旦大學二年級博士生馬元元，通訊作者為王永剛教授。

氫是一種理想的能源載體，具有來源豐富、綠色清潔、可(ke)再(zai)生(sheng)等(deng)特(te)點(dian)，被(bei)認(ren)為(wei)是(shi)最(zui)有(you)希(xi)望(wang)代(dai)替(ti)傳(chuan)統(tong)化(hua)石(shi)燃(ran)料(liao)的(de)新(xin)能(neng)源(yuan)之(zhi)一(yi)。目(mu)前(qian)，采(cai)用(yong)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)解(jie)水(shui)製(zhi)備(bei)氫(qing)氣(qi)是(shi)解(jie)決(jue)全(quan)球(qiu)能(neng)源(yuan)危(wei)機(ji)非(fei)常(chang)有(you)效(xiao)的(de)方(fang)法(fa)之(zhi)一(yi)。傳(chuan)統(tong)的(de)光(guang)解(jie)水(shui)過(guo)程(cheng)由(you)產(chan)氫(qing)和(he)產(chan)氧(yang)兩(liang)個(ge)反(fan)應(ying)組(zu)成(cheng)，且(qie)這(zhe)兩(liang)個(ge)反(fan)應(ying)是(shi)同(tong)時(shi)發(fa)生(sheng)的(de)。這(zhe)樣(yang)的(de)特(te)點(dian)為(wei)傳(chuan)統(tong)光(guang)解(jie)水(shui)帶(dai)來(lai)了(le)不(bu)少(shao)瓶(ping)頸(jing)。其(qi)中(zhong)最(zui)主(zhu)要(yao)的(de)製(zhi)約(yue)便(bian)是(shi)與(yu)產(chan)氧(yang)反(fan)應(ying)動(dong)力(li)學(xue)相(xiang)關(guan)。由(you)於(yu)產(chan)氧(yang)的(de)速(su)率(lv)遠(yuan)比(bi)產(chan)氫(qing)慢(man)，慢(man)速(su)的(de)產(chan)氧(yang)過(guo)程(cheng)會(hui)降(jiang)低(di)氫(qing)氣(qi)的(de)產(chan)量(liang)，拉(la)低(di)光(guang)解(jie)水(shui)整(zheng)體(ti)的(de)能(neng)量(liang)利(li)用(yong)效(xiao)率(lv)。此(ci)外(wai)
，傳(chuan)統(tong)光(guang)解(jie)水(shui)器(qi)件(jian)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)價(jia)格(ge)昂(ang)貴(gui)的(de)質(zhi)子(zi)交(jiao)換(huan)膜(mo)以(yi)保(bao)證(zheng)產(chan)氫(qing)和(he)產(chan)氧(yang)環(huan)境(jing)適(shi)宜(yi)的(de)pH值。但是
，質子交換膜的使用不可避免地增加了光解水獲取氫氣的生產成本。針對以上問題

，夏永姚、王永剛教授課題組通過采用聚三苯胺作為固體氧化還原電對，實現了無隔膜、可分立地進行產氫和產氧過程的光解水過程。

該論文采用具有高度可逆的n摻chan雜za聚ju合he物wu聚ju三san苯ben胺an作zuo為wei氧yang化hua還hai原yuan電dian對dui應ying用yong到dao酸suan性xing電dian解jie水shui中zhong
，成cheng功gong的de將jiang產chan氫qing和he產chan氧yang過guo程cheng解jie耦ou。這zhe種zhong新xin型xing電dian解jie池chi的de電dian解jie過guo程cheng分fen兩liang步bu來lai進jin行xing。步bu驟zhou1：位於正中的聚三苯胺電極與左側的附有產氫催化劑（金屬鉑）的鈦電極連接

，產氫回路接通
，中性態聚三苯胺進行充電：放出電子，接受硫酸根，形成“摻雜態”。這zhe些xie釋shi放fang的de電dian子zi沿yan著zhe外wai電dian路lu來lai到dao左zuo側ce，在zai催cui化hua劑ji表biao麵mian還hai原yuan存cun在zai於yu溶rong液ye中zhong的de質zhi子zi，產chan生sheng氫qing氣qi。此ci時shi產chan氧yang回hui路lu沒mei有you連lian通tong，產chan氧yang不bu進jin行xing。步bu驟zhou2：當dang產chan氫qing過guo程cheng結jie束shu後hou
，將jiang聚ju三san苯ben胺an和he右you側ce電dian極ji連lian接jie，產chan氧yang回hui路lu接jie通tong。此ci時shi水shui在zai產chan氧yang催cui化hua劑ji表biao麵mian被bei氧yang化hua為wei氧yang氣qi，所suo放fang出chu的de電dian子zi順shun著zhe外wai電dian路lu來lai到dao“摻雜態”聚三苯胺中，進行放電過程：放出硫酸根，恢複“中性態”。由於產氫回路被斷開，產氫不進行。步驟1和步驟2循環往複，從而實現產氫-產氧過程的交替。該新型電解水器件還可以與商業化的太陽能電池板結合，實現太陽能向氫能的直接轉化。

以上研究得到了國家自然科學基金委
、上海市科委和教育部能源材料化學協同創新中心（2011·iChEM）的資助。

論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201800436/epdf