科学家们通过新型催化剂更有效地分离水分子

俄勒冈大学化学实验室的研究提高了双极性膜中催化水离解反应的有效性。一个由三人组成的小组使用了膜电极组件，其中聚合物双极膜被压缩在两个刚性多孔电极之间，从而使它们能够制造出具有不同水分解催化剂层的大量双极膜。

使用一种新方法，他们能够研究和改善水分解反应，该反应可分解基于膜的电化学反应器中的水分子。

俄勒冈大学的化学家在增强电化学反应器（称为双极膜电解器）中的催化水分解反应方面取得了实质性进展，可以更有效地将水分子分解成带正电的质子和带负电的氢氧根离子。

这一发现先于在线发表在《科学》杂志上，为实现电化学装置提供了路线图，该装置受益于双极膜操作的关键特性-在装置内部产生质子和氢氧根离子，并将离子直接提供给电极生产最终的化学产品。

双极性膜背后的技术是在1950年代出现的，该技术是将水离解催化剂层夹在中间的层状离子交换聚合物。尽管它们已在工业上进行了小规模应用，但目前的性能仅限于低电流密度运行，这妨碍了更广泛的应用。

UO的化学与生物化学系教授Shannon W. Boettcher说，其中包括利用水和电产生氢气，利用海水捕获二氧化碳并直接用二氧化碳生产碳基燃料的设备。俄勒冈州电化学中心的创始主任，

Boettcher表示：“我怀疑我们的发现将加速双极膜装置的发展以及对水离解反应原理的研究，” Boettcher说道，他也是材料科学研究所的成员，也是UO Phil的助手。以及Penny Knight校园，以加速科学影响力。

他说：“我们展示的性能足够高。”“如果我们能够提高耐用性并与我们的行业合作伙伴制造双极膜，那么应该立即进行重要的应用。”

研究的主要作者，博士后学者Sebastian Z. Oener说，通常，整个电池系统中的水基电化学装置（例如电池，燃料电池和电解槽）都在单个pH下运行，也就是说，该系统是酸性的或碱性的。由Boettcher实验室的德国研究基金会研究员提供。

“通常，这要么导致使用昂贵的贵金属来催化电极反应，例如铱（地球上最稀有金属之一），要么牺牲了催化剂的活性，这反过来又增加了电化学反应器所需的能量输入，” Oener说过。“双极性膜可以通过在理想的pH环境中局部操作每种电催化剂来克服这种折衷。这为每个半反应增加了稳定的，富含地球的催化剂可用性的呼吸。”

这个由三人组成的团队（其中还包括研究生Marc J. Foster）使用了膜电极组件，其中聚合物双极膜被压缩在两个刚性多孔电极之间。这种方法使他们能够制造出具有不同水分解催化剂层的大量双极性膜，并精确地测量每种膜的活性。

该团队发现，双极膜结内每个催化剂层的确切位置（双极膜中氢氧化物传导层与质子传导层之间的界面）会极大地影响催化剂的活性。这使他们可以使用催化剂双层来实现具有记录性能的双极膜，该膜基本上可以将水分解，而损失的额外能量输入可以忽略不计。

Boettcher说：“最大的惊喜是意识到通过将不同类型的催化剂彼此叠置可以大大提高性能。”“这很简单，但是还没有被充分研究。”

Oener说，第二个关键发现是，双极膜内部发生的水离解反应与电催化剂表面上发生的离解反应基本相关，例如，在碱性pH条件下制作氢燃料时，质子直接从水分子中提取出来。

“这是独特的，因为以前不可能分离电化学反应过程中发生的单个步骤，” Oener说。他们全都联系在一起，涉及电子和中间体，并迅速串联。双极膜结构使我们能够分离水离解化学步骤，并对其进行单独研究。

他说，这一发现也可能导致改进的电催化剂用于直接从水中还原燃料的反应，例如由废二氧化碳制氢或液体燃料。

Boettcher说，这些发现提供了一种试探性的力学模型，可以为这一领域开辟新的领域并激发更多的研究。

他说：“我们很高兴看到研究界的反应，看看这些发现是否可以转化为减少社会对化石燃料依赖的产品。”

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参考：Sebastian Z. Oener，Marc J. Foster和Shannon W. Boettcher的“加速双极膜中的水离解并用于电催化”，2020年7月2日，科学。DOI：
10.1126 / science.aaz1487

共同作者正在为他们开发的双极膜技术寻求专利。美国国家科学基金会的化学催化计划为这项研究提供了支持。