课题总结：电解水设计及其发展

以下文章来源于科泰催化 ，作者科泰催化 容容

电化学合成得益于其高活性、高选择性和操作简便、环境友好，逐渐发展为热门的材料合成方法。尤其适应于近年来“新能源战略”和“碳达峰、碳中和”战略目标——可再生能源电解水制“绿氢”，和电催化CO2还原降低碳排放、制备高附加值有机碳材料。近年来研究学者们在利用电化学方法在这方面做出了巨大的努力。

目前传统的电解水制氢，碱性电解水ALK已经具备成熟的工业化生成体系，但考虑到碱性溶液易与空气中的CO2反应生产K2CO3，产生高欧姆电阻损耗，导致其相对较低的电流密度，以及难以响应瞬态负载，与可再生电力配适度差，氢/氧混合等等。

为此人们开发了由质子交换膜PEM和阴离子交换膜AEM为离子传输的膜电极组件MEA，零间距结构，欧姆电阻较低，显著提高电解过程的整体效率，而且省去了氢气的提纯和脱碱，可承载高电流密度、效率高、灵活性强。但目前质子交换膜电极组件和阴离子交换膜电极组件面临着催化剂、极板的耐酸蚀和阴离子交换膜的稳定性的问题。所以开发高稳定性的酸性OER催化剂和碱性阴离子交换膜是近年来的研究热点。高温固体氧化物电解也还需要进一步的技术发展和效益评估。

另外，避免ALK中气体交叉，使用氢氧化镍作为氧化还原介质，解耦碱性水电解过程中氢气和氧气的产生，也是一种思路：

（Nature Communications 7, 11741 (2016)）

（Cell Reports Physical Science 1, 100138, August 26, 2020）

考虑到使用大量高纯水制氢会加剧淡水资源的短缺，而海水储量丰富，近两年来海水电解的研究日益增多，电解海水制氢也有了很大的进展，研究重点集中在如何保持大电流密度的同时，避免析氯的发生、氯对电极的腐蚀和惰性氢氧化钙镁的沉积。

（Nature 612, 673–678 (2022)）

考虑到电解水制氢阳极复杂而缓慢的四电子转移步骤，为克服高的水氧化电势1.23 V，人们又在阳极电解上做文章，选择低氧化电势的有机小分子作为阳极氧化材料如尿素氧化、甘油氧化、5-羟甲基糠醛氧化等等，与阴极产氢耦合以降低整体电极电势。同时阳极生成比氧气更高附加值的产品，研究难点在于阳极产物的选择性和产物的分离上。

（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202213328）

综合这些耦合反应，上期介绍到法拉第效率高达200%的双电极产氢、加氢也是一个很好的方向。

（Nat. Commun. 2023, 14, 525.）

（DOI：10.1038/s41929-023-00923-6）

未来电解水的发展，肯定是高效而多元的，如何遵循新能源战略与环境保护理念，提高传统电解水的可配适性和经济效益，开发与产氢加氢相耦合的电化学合成体系，提高产品附加值，面向工业化生产，真正做到产-学-研相结合，是未来电催化的发展趋势。大家加油！

转自：“科研共进社”微信公众号

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