分步产氢-产氧的酸性电解水体系研究获进展

据能源材料化学协同创新中心网站报道：近日，iChEM研究人员、复旦大学王永刚教授、夏永姚教授课题组利用一种具有电化学活性的高分子---聚三苯胺（polytriphenylamine），首次组装了一种无需质子交换膜、可分别进行产氢或产氧过程的新型太阳光分解水器件。相关研究成果(“Decoupling Hydrogen and Oxygen Production in Acidic Water Electrolysis Using Polytriphenylamine-based Battery Electrode”)近期在Angew. Chem. Int. Ed. 在线发表。（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 2904-2908, DOI: 10.1002/anie.201800436）。论文的第一作者为复旦大学二年级博士生马元元，通讯作者为王永刚教授。

氢是一种理想的能源载体，具有来源丰富、绿色清洁、可再生等特点，被认为是最有希望代替传统化石燃料的新能源之一。目前，采用太阳能电解水制备氢气是解决全球能源危机非常有效的方法之一。传统的光解水过程由产氢和产氧两个反应组成，且这两个反应是同时发生的。这样的特点为传统光解水带来了不少瓶颈。其中最主要的制约便是与产氧反应动力学相关。由于产氧的速率远比产氢慢，慢速的产氧过程会降低氢气的产量，拉低光解水整体的能量利用效率。此外，传统光解水器件需要使用价格昂贵的质子交换膜以保证产氢和产氧环境适宜的pH值。但是，质子交换膜的使用不可避免地增加了光解水获取氢气的生产成本。针对以上问题，夏永姚、王永刚教授课题组通过采用聚三苯胺作为固体氧化还原电对，实现了无隔膜、可分立地进行产氢和产氧过程的光解水过程。

该论文采用具有高度可逆的n掺杂聚合物聚三苯胺作为氧化还原电对应用到酸性电解水中，成功的将产氢和产氧过程解耦。这种新型电解池的电解过程分两步来进行。步骤1：位于正中的聚三苯胺电极与左侧的附有产氢催化剂（金属铂）的钛电极连接，产氢回路接通，中性态聚三苯胺进行充电：放出电子，接受硫酸根，形成“掺杂态”。这些释放的电子沿着外电路来到左侧，在催化剂表面还原存在于溶液中的质子，产生氢气。此时产氧回路没有连通，产氧不进行。步骤2：当产氢过程结束后，将聚三苯胺和右侧电极连接，产氧回路接通。此时水在产氧催化剂表面被氧化为氧气，所放出的电子顺着外电路来到“掺杂态”聚三苯胺中，进行放电过程：放出硫酸根，恢复“中性态”。由于产氢回路被断开，产氢不进行。步骤1和步骤2循环往复，从而实现产氢-产氧过程的交替。该新型电解水器件还可以与商业化的太阳能电池板结合，实现太阳能向氢能的直接转化。

以上研究得到了国家自然科学基金委、上海市科委和教育部能源材料化学协同创新中心（2011·iChEM）的资助。

论文链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201800436/epdf