通訊作者：Sebastian Z. Oener，Shannon W.Boettcher1．通過構(gòu)建雙極膜結(jié)構(gòu)電解池，考察水解離過程在電解水反應(yīng)中的作用2．該雙極膜結(jié)構(gòu)電解池同樣適用于電解CO2、N2等水參與的反應(yīng)以往的電催化水分解中受到含水溶液的pH值和溶液酸堿性影響較大，但是該問題未受到重視。催化水解離（water dissociation）生成氫和氫氧根（H2O → H++ OH-）是構(gòu)建雙極膜BPM（bipolarmembranes），進(jìn)而將不同pH環(huán)境耦合到一個(gè)電化學(xué)裝置中，從而得以加速中性、堿性環(huán)境中的電催化水分解反應(yīng)。探索調(diào)控水分解反應(yīng)路徑，將水解離為H+和OH-，再進(jìn)行分解水，從而降低電催化反應(yīng)中對pH的需求。有鑒于此，俄勒岡大學(xué)Sebastian Z. Oener、Shannon W.Boettcher等報(bào)道了對雙極膜電解槽進(jìn)行設(shè)計(jì)，并定量測試催化分解水動(dòng)力學(xué)。尤其是金屬納米粒子的堿性HER反應(yīng)活性和水解離過程有相關(guān)性。實(shí)現(xiàn)了在20 mA cm-2電流密度中以＜10 mV過電勢進(jìn)行電催化WD反應(yīng)。通過將堿性陽極和酸性陰極結(jié)合，在500 mA cm-2電流密度中進(jìn)行反應(yīng)，總電解電壓~2.2 V。要點(diǎn)1.雙極膜（BPM）電解系統(tǒng)雙極膜（BPM）組成：陽離子交換層（CEL）、陰離子交換層（AEL）。當(dāng)在BPM中加入偏壓，能夠引發(fā)水解離反應(yīng)H2O → H++ OH-。該反應(yīng)發(fā)生在AEL/CEL界面上，生成的H+穿過CEL，OH-穿過AEL。要點(diǎn)2. WD水解離動(dòng)力學(xué)，雙極電解槽材料優(yōu)化通過對~40種金屬、金屬氧化物構(gòu)建~30種材料，將18.2 MΩ·cm的水作為電解質(zhì)組裝為雙極電解槽，同時(shí)該雙極電解槽包圍在集電器（Ti/Pt-frit）。當(dāng)在酸性端陽離子交換層（AEL）加載Sb:SnO2，堿性端陰離子交換層（CEL）加載NiO、IrO2等材料展現(xiàn)出較高的性能。要點(diǎn)3. 水解離和水分解之間的關(guān)系作者發(fā)現(xiàn)NiO（在水中以氫氧化物形式存在），是效果優(yōu)異的堿性水解離催化劑；TiO2是在酸性/堿性環(huán)境中都穩(wěn)定的水解離催化劑。作者通過在Pt，Ir，Ru，Rh，PtRu，PtIr納米粒子上250℃中進(jìn)行原子層沉積TiO2，發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)顯著改善水解離、堿性HER催化活性（降低過電勢），作者認(rèn)為該過程氧化物改善水解離、穩(wěn)定M-H中間體雙重作用。通過將NiO、IrO2上修飾約10層TiO2原子層作為AEL，在20 mA cm-2電流密度中和50 ℃的純水環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了以＜10 mV（±9）過電勢進(jìn)行電催化WD反應(yīng)。并且即使在非常高的電流密度工作過程中，所需水解離過電勢仍非常低。通過將堿性陽極和酸性陰極結(jié)合，在0.2 A cm-2電流密度中進(jìn)行電催化分解水反應(yīng)，總電解電壓~1.9 V，且水解離過電勢約＜0.25 V。作者認(rèn)為，該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)在2 A cm-2電流密度，在非常低的水解離作用中進(jìn)行分解水反應(yīng)。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
