科学家用新的催化剂有效地分离水

来源：俄勒冈大学（University of Oregon）

俄勒冈大学的化学家在增强电化学反应器（称为双极膜电解槽）中的催化水离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。

这一发现在《科学》杂志发表之前已经发表在网上，它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。

双极膜是一种夹在水离解催化剂层中的层状离子交换聚合物，其背后的技术出现于20世纪50年代。虽然双极膜已在小规模工业应用，但其性能目前仅限于低电流密度操作，这阻碍了其更广泛的应用。

俄勒冈州大学化学与生物化学系教授、俄勒冈州电化学中心创始主任、合著者香农·W·博特彻（Shannon W. Boettcher）说，其中包括利用水和电产生氢气、从海水中捕获二氧化碳、直接从二氧化碳制造碳基燃料的装置，

“我觉得也许我们的发现将加速双极膜装置的发展和对水离解反应基本原理的研究，”Boettcher说，他也是材料科学研究所的成员，也是UO Phil和Penny Knight校区加速科学影响的助理。

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一起制造双极膜，那么应该立即进行重要的应用。”

这项研究的主要作者塞巴斯蒂安·奥纳（Sebastian Z.Oener）说，通常情况下，电池、燃料电池和电解槽等水基电化学装置在整个系统中以单一的pH值运行，也就是说，系统要么是酸性的，要么是碱性的。

“通常，这要么导致使用昂贵的贵金属来催化电极反应，比如铱，地球上最稀有的金属之一，要么牺牲催化剂活性，这反过来又增加了电化学反应器所需的能量输入，”Oener说双极膜可以通过在理想的pH环境下局部操作每个电催化剂来克服这种权衡。这增加了每半个反应的稳定、丰富的催化剂可用性。”

这个由三名成员组成的研究小组还包括研究生marcj.Foster，他们使用了一种膜电极组件，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作大量具有不同水离解催化剂层的双极膜，并精确测量每层的活性。

研究小组发现，双极膜中每个催化剂层的确切位置，即双极膜中氢氧化导电层和质子导电层之间的界面，会显著影响催化剂的活性。这使得他们可以使用催化剂双层来实现记录性能的双极膜，基本上可以分解水，而额外的能量损失可以忽略不计。

Boettcher说：“最大的惊喜是意识到将不同类型的催化剂相互叠加可以大大提高催化剂的性能。”这很简单，但还没有得到充分的探讨。”

第二个关键发现，Oener说，双极膜内发生的水离解反应与电催化剂表面发生的反应基本上有关，例如在碱性pH条件下制造氢燃料时，直接从水分子中提取质子。

Oener说：“这是独特的，因为以前不可能分离发生在电化学反应过程中的各个步骤。它们全都联系在一起，涉及电子和中间体，并且迅速串联进行。双极膜结构使我们能够分离水离解化学步骤并进行单独研究。”

他说，这一发现还可以改进电催化剂，用于直接从水中生成还原燃料的反应，例如用废二氧化碳制造氢气或液体燃料。

Boettcher说，这些发现提供了一个初步的机械模型，可以开拓这个领域并推动更多的研究。

他说：“我们很高兴看到研究界的反应，看看这些发现是否能转化成产品，减少社会对化石燃料的依赖。”。

更多信息： "Accelerating water dissociation in bipolar membranes and for electrocatalysis" Science (2020). science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aaz1487

期刊信息：Science

来源：https://phys.org/news/2020-07-scientists-dissociate-efficiently-catalysts.html

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