采用可再生能源驅(qū)動(dòng)的電解水技術(shù)是一種可持續(xù)的制氫方式。但是，傳統(tǒng)的電解水過程卻面臨著氫氣和氧氣同時(shí)/同步產(chǎn)生，需要使用隔膜，會(huì)產(chǎn)生具有爆炸性的氫氧混合氣，陰、陽兩極動(dòng)力學(xué)的差異限制了可再生能源的直接使用。并且，H2/O2和催化劑的共同存在還會(huì)降低膜的使用壽命。因此，開發(fā)新的電解制氫體系對(duì)于未來可持續(xù)氫能的發(fā)展具有重要的意義。
近日，東華大學(xué)楊建平課題組采用二喹喔啉并[2,3-a:2',3'-c]吩嗪（HATN）作為氧化還原電對(duì)，在酸性電解液中實(shí)現(xiàn)了氫氣和氧氣的分時(shí)、分地制備。該分步電解體系包括兩個(gè)步驟，即制氧步驟和制氫步驟。在制氧時(shí)（即步驟1），HATN作為陰極被還原（HATN→HATN-6H），在制氫時(shí)（即步驟2），HATN作為陽極重新被氧化（HATN-6H→HATN）。由于HATN具有較高的可逆穩(wěn)定性，步驟1和步驟2可以很好地循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了無膜條件下氫氣和氧氣的分步制備。
圖1 基于HATN的分步電解過程示意圖 圖2 HATN電極的反應(yīng)機(jī)理研究，（a）HATN在1 A g-1電流密度下的充放電曲線，（b-d）非原位紅外光譜圖，（e）非原位N 1s XPS譜圖 為了證明HATN的反應(yīng)機(jī)理，采用非原位紅外對(duì)材料的不同充放電狀態(tài)進(jìn)行了研究（圖2）。結(jié)果表明，C=N鍵（1520 cm-1）在HATN放電過程中逐漸變?nèi)酰诔潆娺^程中逐漸增強(qiáng)；-NH-鍵（1642 cm-1）在放電過程中逐漸變強(qiáng)，在充電過程中逐漸變?nèi)?。表明C=N鍵在充放電過程中可以通過配位/不配位反應(yīng)儲(chǔ)存/釋放H+。 圖3 基于HATN的分步電解制氫體系穩(wěn)定性 HATN分子的π共軛芳香結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)電荷的轉(zhuǎn)移及H+的快速嵌入/脫出，使其具有優(yōu)異的倍率性能；且π-π分子的相互作用可以抑制HATN在電解液中的溶解，提高了其穩(wěn)定性。由于HATN電極優(yōu)異的電化學(xué)性能，基于HATN電極的分步電解體系表現(xiàn)出優(yōu)異的制氫性能。如圖3所示，該分步體系可以在不同電流、電壓下電解，證明了其可以適應(yīng)可再生能源的波動(dòng)性；并且長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)穩(wěn)定測(cè)試其電解電位并沒有發(fā)生很大變化，證明了該分步電解制氫裝置的穩(wěn)定性。這一研究工作將為有機(jī)電極材料的應(yīng)用提供方向，并為分步電解制氫的發(fā)展打下基礎(chǔ)。 論文信息 Phenazine-based Compound Realizing Separate Hydrogen and Oxygen Production in Electrolytic Water Splitting Kangxi Wu, Haoze Li, Shuaika Liang, Dr. Yuanyuan Ma, Prof. Jianping Yang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202303563
