你知道吗?水是地球上最丰富的资源之一,也是最有潜力的能源之一。如果我们能把水分解成氢气和氧气,就可以利用它们进行清洁的燃烧或者储存能量。 但是,要实现这个目标并不容易。因为水分解需要消耗大量的电能,并且要求使用特殊的催化剂和电极材料。而且,不同的水溶液(比如酸性、中性或者碱性)对于催化剂和电极材料的要求也不同。 那么,有没有一种方法可以在任何pH条件下高效地分解水呢?答案是有的!最近,中国科学技术大学化学与材料科学学院陈维教授课题组在国际期刊JACS Au发表了一篇论文,提出了一个新颖的概念:**利用电催化型氢气电容**,**解耦全pH水电解**(all-pH-CDWE)。 什么是电催化型氢气电容呢?简单来说,就是利用一个特殊的金属合金作为阴极(负极),在通入直流电后,在其表面形成一个薄薄的氢原子层。这个层相当于一个"活性"屏障,可以阻止其他物质(比如碱金属离子)进入阴极,并且可以在任何pH条件下快速地释放出纯净的氢气。 而什么是解耦全pH水电解呢?就是指把原本需要同时进行的两个反应(即阴极产生氢气和阳极产生氧气)分开进行。这样做有什么好处呢? 首先,可以减少系统复杂度和成本; 其次,可以提高系统稳定性和效率; 最后,可以实现对任何pH溶液的适应性。 图 | 网 | 材料牛 (a)电催化型氢气电容器的工作原理图; (b)电催化型氢气电容器与电化学双电层电容器的电极工作示意图对比。 具体来说,陈维教授课题组设计了一个简单而高效的装置: 只需要一个普通的阳极(比如铂或者碳纳米管)。 一个含有金属合金(比如钯银合金)粉末或者箔片的阴极槽。 以及两个盛放不同pH溶液(比如酸性、中性或者碱性)的容器。 然后,在阳极和阴极之间接通直流电源,就可以实现水的分解。在阳极,水分子会被氧化成氧气和质子(或者氢氧根离子),在阴极,质子(或者氢氧根离子)会被还原成氢原子,并且被吸附在金属合金表面,形成电催化型氢气电容。当电催化型氢气电容达到饱和时,就会释放出纯净的氢气。 Acidic-CDWE在Swagelok装置中的电化学性能 | 注:图源能化大数据,专业请移步至此 这个过程有什么优点呢? 首先,它可以在任何pH条件下进行,不需要特殊的溶液或者添加剂。 其次,它可以使用低成本的材料和设备,不需要昂贵的稀土元素或者复杂的结构。 最后,它可以实现高效率和高稳定性的水电解,不受碱金属离子或者其他杂质的影响。 陈维教授课题组的这项工作,为全pH水电解提供了一种新的思路和方法,有望推动氢能源的发展和应用。该研究得到了国家自然科学基金、中国科学院、中组部等单位的资助。