科学家用新型催化剂有效解决水

俄勒冈州的大学化学家在增强电化学反应器(称为双极膜电解槽)中的催化水分解反应方面取得了实质性进展，这种反应器可以更有效地将水分子分解为带正电荷的质子和带负电荷的氢氧根离子。

这一发现在线发表在《科学》杂志上，为电化学器件的实现提供了路线图，这要归功于双极膜操作的关键特征——，它在器件内部产生质子和氢氧根离子，并将这些离子直接供应给电极，以产生最终的化学产物。

20世纪50年代，双极膜背后的技术出现了。双极膜是层状离子交换聚合物，其间夹有水分解催化剂层。虽然它们已经在工业上小规模使用，但目前它们的性能仅限于低电流密度，这阻碍了它们的广泛应用。

UO化学和生物化学系教授Shannon W. Bertcher表示，这包括利用水和电产生氢气、利用海水捕获二氧化碳以及直接利用二氧化碳生产碳基燃料的设备。俄勒冈电化学中心创始主任，

Boettcher说，“我怀疑我们的发现将加速双极膜装置的发展和水离解反应原理的研究，”Boettcher说，他也是材料科学研究所的成员和UOPhil的助理。和Penny Knight校园来加速科学影响力。

他说：“我们所展示的表现已经足够高了。”“如果我们能够提高耐用性，并与行业合作伙伴一起制造双极膜，那么重要的应用应该会立即实现。”

这项研究的第一作者Sebastian Z. Oener说，整个电池系统(如电池、燃料电池和电解池)中的水基电化学装置通常在整个系统的pH值下工作，即该系统不是酸性就是碱性。由德国研究基金会Boettcher实验室的研究人员提供。

“通常，这要么导致使用昂贵的贵金属来催化电极反应，如铱(地球上最稀有的金属之一)，要么牺牲催化剂的活性，从而增加电化学反应器所需的能量输入，”Honel说。双极膜可以通过在理想pH环境中局部操作每个电催化剂来克服这种折衷。这增加了每半个反应的稳定性和富含土壤的催化剂的可用性。”

这个三人小组还包括研究生Marc J. Foster，他使用了一种膜电极组件，其中聚合物双极膜被压在两个刚性多孔电极之间。这种方法使他们能够制造大量具有不同水分解催化剂层的双极膜，并精确测量每个膜的活性。

研究团队发现，双极膜结(双极膜中氢氧化物导电层和质子导电层的界面)中各催化剂层的确切位置会严重影响催化剂的活性。这使得他们可以使用催化剂双层实现具有记录性能的双极膜，基本上可以在忽略不计的额外能量输入下分解水。

Boettcher说：“最大的惊喜是意识到通过将不同类型的催化剂堆叠在一起可以大大提高性能。”“很简单，但还没研究透。”

Oener说，第二个关键发现是双极膜中的水离解反应基本上与电催化剂表面的离解反应有关。例如，当氢燃料在碱性pH下生产时，质子直接从水分子中提取。

Honel说，“这是独一无二的，因为以前不可能将电化学反应过程中的步骤分开。”“都是连在一起的，涉及到电子和中间体，很快就串联起来了。双极膜结构使我们能够分离水分解的化学步骤，进行独立研究。”

他说，这一发现还可以改善直接从水中还原燃料的电催化剂，如从废弃的二氧化碳或液体燃料中制氢。

Boettcher表示，这些发现提供了一个初步的力学模型，可以为这一领域打开广阔的空间，激发更多的研究。

他说：“我们很高兴看到研究界的回应，看看这些发现能否转化为产品，以减少社会对化石燃料的依赖。”