耿東生教授，Journal of Materials Chemistry A綜述：突破邊界:固態氧化還原介質解耦水電解的進展
【文章資訊】
突破邊界:固態氧化還原介質解耦水電解的進展
第一作者：吳天賜
通訊作者：耿東生*
單位：南京資訊工程大學
【研究背景】
水電解制氫為加速脫碳提供了可靠的途徑。過去的研究大多集中在高效能電催化劑上，而在水電解系統方面的創新很少。在傳統的水電解過程中，氣態產物不可避免地會在一定程度上混合，這在經濟和執行成本方面帶來了固有的挑戰。在此背景下，2013年首次提出使用氧化還原介質(RMs)進行解耦水電解，以在空間和時間上完全分離析氫反應(HER)和析氧反應(OER)。其中，可溶RM的實作需要引入質子交換膜和驅動系統，這帶來了技術問題，甚至限制了能量轉換效率。固態RM解耦系統可以克服上述限制，受到越來越多的關註。在此，我們總結了不同電解質下解耦水電解的固態RM的最新進展。討論了當前固態解耦水電解技術的優勢和挑戰，並對未來的發展提出了一些看法。
【文章簡介】
近日， 南京資訊工程大學的耿東生教授 ，在國際知名期刊 Journal of Materials Chemistry A 上發表題為 「Breaking boundaries: advancements in solid-state redox mediators for decoupled water electrolysis」 的綜述文章。該綜述文章介紹了解耦水電解制氫的反應機理，同時匯總了近期固態氧化還原介質在解耦水電解中的研究進展。
圖1. 固態氧化還原劑介質用於解耦水電解的發展歷程
【本文要點】
要點一：酸性條件下固態RM介導的解耦水電解
通常來說，酸性電解可以提供更高的電流密度(2 A cm−2)、更高的氫純度(>99.99%)、更高的總效率(74-87%)和更快的系統響應。此外，酸性條件可以對波動的可再生能源提供更大的彈性，並且在關閉和負載迴圈方面具有更大的穩定性。因此，在酸性電解液中解耦水解被認為是一種極具發展前景的制氫技術。
圖1. 酸性條件下HATN 解耦水電解反應機理圖以及有機固態RM的電化學效能比較
要點二：堿性條件下固態RM介導的解耦水電解
在酸性條件下所需的貴金屬催化劑的高成本使得催化劑的選擇非常有限，其商業化受到限制。相比之下，堿性條件提供了豐富的非貴金屬催化劑，大大降低了制氫成本。因此，堿性條件下解耦水電解的研究對於大規模制氫更為重要。
圖3. 堿性條件下Ni(OH)2為RM構建的解耦水電解系統
要點三：雙極性條件下固態RM介導的解耦水電解
無論是酸性電解還是堿性電解，每種系統都有其不可避免的缺點。在酸性電解質中，由於有足夠的質子，HER的動力學比OER快得多，導致HER具有極低的過電位。同時，在堿性電解質中，需要引入額外的能量來解離水分子，以提供HER所需的質子。考慮到HER和OER各自的動力學優勢，提出了雙極電解水的概念。雙極水電解系統允許同時使用具有不同pH值的陽極液和陰極液，由雙極膜分離。HER/OER電極被放置在各自有利的電解質中，以最佳化催化劑的穩定性和活性。理論上，雙極電解水的標準電壓僅為0.4 V，可以大大降低電解水所需的能量。
圖4.以MnO2為核心構建的解耦雙極水電解與錳鋅電池整合系統。
要點四：前瞻
自2016年第一例固態氧化還原介質報道以來，固態氧化還原介質解耦水電解領域發展迅速，其重點是在時間和空間上無膜高效分離氣態產物。此後，鋰離子電池、超級電容器和有機電極材料的不斷研究進一步推動了該領域的快速發展。固態氧化還原介質解耦水電解系統的出現為高效制氫帶來了新的可能性，這可能從根本上解決未來可再生能源生產中的間歇性/低功耗問題。充分利用可再生能源是解耦水電解的關鍵優勢之一，未來的發展可能會繼續探索這一領域。目標是將可再生能源遠距離輸送到終端使用者，構建更加簡潔、安全、經濟的綠色能源系統。這些挑戰的解決需要跨學科合作，需要不同領域的專家做出貢獻，例如材料科學，創新電解材料的開發，化學工程，工藝最佳化和可延伸性，系統設計，將各種元件整合到有效的操作框架中，以及環境科學，以確保生態永續性和這些技術對環境的影響最小。除了繼續探索開發高效能解耦介質外，更應重視解耦系統的設計和開發，特別是固態解耦水電解系統的連續生產能力。持續的研究和創新有望克服這些挑戰，從而提高固態氧化還原介質在解耦水電解系統中的可行性和有效性。
【文章連結】
Breaking boundaries: advancements in solid-state redox mediators for decoupled water electrolysis
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ta/d3ta07059j
【通訊作者簡介】
耿東生 教授簡介：現為南京資訊工程大學化學與材料學院教授、院長。於2007年獲得中科院蘭州化學物理研究所物理化學博士學位，2013年獲得加拿大西安大略大學機械與材料工程博士學位。曾在日本信州大學擔任NEDO研究員，在加拿大西安大略大學從事博士後研究，以及在新加坡科技研究局（A*STAR）擔任研究員。目前耿教授的研究主要集中在研究能源轉換器件中電催化劑的構效關系，並結合先進的顯微和光譜技術探究電催化機制。
【第一作者介紹】
吳天賜 ，北京科技大學材料科學與工程學院博士生，主要研究方向是新型電化學能源體系和電極材料的研發。
【課題組介紹】
催化與功能材料綠色能源實驗室（Catalysis and Functional Materials for Green Energy）旨在開展能源轉換與記憶體件相關材料的設計、制備、表征，結合模擬計算，研究其構效關系和效能最佳化，推進功能材料在氫能、燃料電池、鋰離子電池等領域的套用。研究方向包括先進電解水製氫材料、高效穩定燃料電池催化劑、能量轉換材料的計算模擬/構效關系分析、新型能量轉換體系（包括鋰離子電池、金屬-二氧化碳電池等）、以及電催化反應的機理及動力學研究。
【課題組招聘】
具有材料化學與物理、電催化等方向相關研究背景的博士後。應聘材料請發至[email protected]
