耿东生教授，Journal of Materials Chemistry A综述：突破边界:固态氧化还原介质解耦水电解的进展
【文章信息】
突破边界:固态氧化还原介质解耦水电解的进展
第一作者：吴天赐
通讯作者：耿东生*
单位：南京信息工程大学
【研究背景】
水电解制氢为加速脱碳提供了可靠的途径。过去的研究大多集中在高性能电催化剂上，而在水电解系统方面的创新很少。在传统的水电解过程中，气态产物不可避免地会在一定程度上混合，这在经济和运行成本方面带来了固有的挑战。在此背景下，2013年首次提出使用氧化还原介质(RMs)进行解耦水电解，以在空间和时间上完全分离析氢反应(HER)和析氧反应(OER)。其中，可溶RM的实现需要引入质子交换膜和驱动系统，这带来了技术问题，甚至限制了能量转换效率。固态RM解耦系统可以克服上述限制，受到越来越多的关注。在此，我们总结了不同电解质下解耦水电解的固态RM的最新进展。讨论了当前固态解耦水电解技术的优势和挑战，并对未来的发展提出了一些看法。
【文章简介】
近日， 南京信息工程大学的耿东生教授 ，在国际知名期刊 Journal of Materials Chemistry A 上发表题为 「Breaking boundaries: advancements in solid-state redox mediators for decoupled water electrolysis」 的综述文章。该综述文章介绍了解耦水电解制氢的反应机理，同时汇总了近期固态氧化还原介质在解耦水电解中的研究进展。
图1. 固态氧化还原剂介质用于解耦水电解的发展历程
【本文要点】
要点一：酸性条件下固态RM介导的解耦水电解
通常来说，酸性电解可以提供更高的电流密度(2 A cm−2)、更高的氢纯度(>99.99%)、更高的总效率(74-87%)和更快的系统响应。此外，酸性条件可以对波动的可再生能源提供更大的弹性，并且在关闭和负载循环方面具有更大的稳定性。因此，在酸性电解液中解耦水解被认为是一种极具发展前景的制氢技术。
图1. 酸性条件下HATN 解耦水电解反应机理图以及有机固态RM的电化学性能比较
要点二：碱性条件下固态RM介导的解耦水电解
在酸性条件下所需的贵金属催化剂的高成本使得催化剂的选择非常有限，其商业化受到限制。相比之下，碱性条件提供了丰富的非贵金属催化剂，大大降低了制氢成本。因此，碱性条件下解耦水电解的研究对于大规模制氢更为重要。
图3. 碱性条件下Ni(OH)2为RM构建的解耦水电解系统
要点三：双极性条件下固态RM介导的解耦水电解
无论是酸性电解还是碱性电解，每种系统都有其不可避免的缺点。在酸性电解质中，由于有足够的质子，HER的动力学比OER快得多，导致HER具有极低的过电位。同时，在碱性电解质中，需要引入额外的能量来解离水分子，以提供HER所需的质子。考虑到HER和OER各自的动力学优势，提出了双极电解水的概念。双极水电解系统允许同时使用具有不同pH值的阳极液和阴极液，由双极膜分离。HER/OER电极被放置在各自有利的电解质中，以优化催化剂的稳定性和活性。理论上，双极电解水的标准电压仅为0.4 V，可以大大降低电解水所需的能量。
图4.以MnO2为核心构建的解耦双极水电解与锰锌电池集成系统。
要点四：前瞻
自2016年第一例固态氧化还原介质报道以来，固态氧化还原介质解耦水电解领域发展迅速，其重点是在时间和空间上无膜高效分离气态产物。此后，锂离子电池、超级电容器和有机电极材料的不断研究进一步推动了该领域的快速发展。固态氧化还原介质解耦水电解系统的出现为高效制氢带来了新的可能性，这可能从根本上解决未来可再生能源生产中的间歇性/低功耗问题。充分利用可再生能源是解耦水电解的关键优势之一，未来的发展可能会继续探索这一领域。目标是将可再生能源远距离输送到终端用户，构建更加简洁、安全、经济的绿色能源系统。这些挑战的解决需要跨学科合作，需要不同领域的专家做出贡献，例如材料科学，创新电解材料的开发，化学工程，工艺优化和可扩展性，系统设计，将各种组件集成到有效的操作框架中，以及环境科学，以确保生态可持续性和这些技术对环境的影响最小。除了继续探索开发高性能解耦介质外，更应重视解耦系统的设计和开发，特别是固态解耦水电解系统的连续生产能力。持续的研究和创新有望克服这些挑战，从而提高固态氧化还原介质在解耦水电解系统中的可行性和有效性。
【文章链接】
Breaking boundaries: advancements in solid-state redox mediators for decoupled water electrolysis
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ta/d3ta07059j
【通讯作者简介】
耿东生 教授简介：现为南京信息工程大学化学与材料学院教授、院长。于2007年获得中科院兰州化学物理研究所物理化学博士学位，2013年获得加拿大西安大略大学机械与材料工程博士学位。曾在日本信州大学担任NEDO研究员，在加拿大西安大略大学从事博士后研究，以及在新加坡科技研究局（A*STAR）担任研究员。目前耿教授的研究主要集中在研究能源转换器件中电催化剂的构效关系，并结合先进的显微和光谱技术探究电催化机制。
【第一作者介绍】
吴天赐 ，北京科技大学材料科学与工程学院博士生，主要研究方向是新型电化学能源体系和电极材料的研发。
【课题组介绍】
催化与功能材料绿色能源实验室（Catalysis and Functional Materials for Green Energy）旨在开展能源转换与存储器件相关材料的设计、制备、表征，结合模拟计算，研究其构效关系和性能优化，推进功能材料在氢能、燃料电池、锂离子电池等领域的应用。研究方向包括先进电解水制氢材料、高效稳定燃料电池催化剂、能量转换材料的计算模拟/构效关系分析、新型能量转换体系（包括锂离子电池、金属-二氧化碳电池等）、以及电催化反应的机理及动力学研究。
【课题组招聘】
具有材料化学与物理、电催化等方向相关研究背景的博士后。应聘材料请发至[email protected]
