氫是氨合成等工業(yè)化學(xué)過程中的重要原料，也是潛在的清潔燃料。目前，大約95%的H2供應(yīng)是通過催化裂化化石燃料生產(chǎn)的，由于這一過程成本低（每公斤1.34-2.27美元），但這既不可持續(xù)，也不環(huán)保。盡管水電解有望成為生產(chǎn)高純度H2的替代技術(shù)，但該工藝的商業(yè)化受到其高成本（每千克4.15-23.27美元）的限制，主要原因是需要高壓輸入（1.6-2.0 V）。此外，水電解在陰極產(chǎn)生H2，在陽極產(chǎn)生O2，而H2和O2的產(chǎn)率實(shí)際上可能低于可再生能源特有的低功率負(fù)載下通過膜的滲透率。在極端情況下，通過膜的氣體交叉可能導(dǎo)致爆炸性的H2/O2混合物，這構(gòu)成了相當(dāng)大的安全問題。此外，H2/O2混合物和活性催化劑的共存可能會(huì)產(chǎn)生活性氧物種，從而破壞電解器中的膜。因此，開發(fā)新型、安全和耐用、低電池電壓和高氫氣生產(chǎn)效率的電解系統(tǒng)有強(qiáng)烈的動(dòng)力。湖南大學(xué)王雙印教授/鄒雨芹副教授，美國加州大學(xué)洛杉磯分校段鑲鋒教授，深圳大學(xué)符顯珠教授，南京師范大學(xué)李亞飛教授等人合作在Nature Catalysis上發(fā)表文章，Combined anodic and cathodic hydrogen production from aldehyde oxidation and hydrogen evolution reaction，展示了一個(gè)陰極和陽極都產(chǎn)氫的電解系統(tǒng)，解決了電解水體系的高電壓、高能耗和產(chǎn)氧問題。本文報(bào)道了一個(gè)雙極產(chǎn)氫系統(tǒng)，該系統(tǒng)在~0.1 V的低電池電壓下，陰極和陽極同時(shí)產(chǎn)生氫氣。該系統(tǒng)不是直接基于水的分解而來的，而是通過生物質(zhì)衍生醛的低電位陽極氧化與陰極HER耦合來實(shí)現(xiàn)的。陽極反應(yīng)涉及醛在0.05 V vs RHE的低起始電位下，在金屬銅催化劑上電催化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的羧酸鹽和H2，反應(yīng)如下：由于偏置電位低，醛基的氫原子通過塔菲爾重組釋放為H2，而不是像傳統(tǒng)的醛電氧化那樣通過Volmer步驟被氧化成H2O。值得一提的是，使用的醛（5-羥甲基糠醛和糠醛）是大量且易于獲取的生物質(zhì)衍生品，可以從各種可持續(xù)生物質(zhì)原料（如淀粉、纖維素和半纖維素）中提取，氧化產(chǎn)物（對應(yīng)羧酸）是增值化學(xué)品，也是包括藥物分子、香水和可持續(xù)聚合物在內(nèi)的一系列產(chǎn)品的重要前體。在組裝的電解槽中，雙極氫氣的起始電壓低于0.1 V。有趣的是，法拉第氫氣生產(chǎn)效率（FE）在陽極和陰極都是100%，因此表觀的FE為200%。由于電池電壓低，F(xiàn)E高，雙極氫氣生產(chǎn)系統(tǒng)中每立方米氫的電力輸入僅為約0.35千瓦時(shí)，約為常規(guī)水電解值（約5千瓦時(shí)）的1/14。該系統(tǒng)為安全、高效、規(guī)模化生產(chǎn)高純氫氣提供了一條有前途的途徑。
1. Wang, T., Tao, L., Zhu, X. et al. Combined anodic and cathodic hydrogen production from aldehyde oxidation and hydrogen evolution reaction. Nat Catal (2021).
https://doi.org/10.1038/s41929-021-00721-y2. Transform electrocatalytic biomass upgrading and hydrogen production from electricity input to electricity outputhttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202115636
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