目前，全球能源供应仍以化石燃料为主，无法持续满足低碳社会的发展需求。氢气（H2）与化石燃料相比，在能量密度和绿色环保方面具有巨大优势，由可再生能源直接驱动水电解是一种理想的生产方法。8 ^4 m- F; d% U- e% E+ n
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通常，传统水电解（CWE）中析氢反应（HER）和析氧反应（OER）同时发生、紧密耦合，不仅提高了分离难度，还有发生爆燃的风险。为了解决上述问题，研究人员在水电解过程中引入了辅助电极，试图让析氢和析氧过程分离。此前的研究对解耦水电解的结构设计，主要集中在多电极（≥3个电极）或多电解槽（≥2个电解槽）方向。这些解耦水电解系统的设计大多操作复杂，在实际生产氢气的过程中存在巨大的限制。
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近日，中国科学技术大学化学与材料科学学院陈维教授课题组在国际期刊JACS Au发表了题为“pH-Universal Decoupled Water Electrolysis Enabled by Electrocatalytic Hydrogen Gas Capacitive Chemistry”的研究论文。该研究提出利用电催化型氢气电容，解耦全pH水电解（all-pH-CDWE），实现有效的H2与O2分离。这一all-pH-CDWE结构仅包含一个电解槽与两个电极，即碳电容型电极和电催化型气体（H2和O2）电极。在电催化型气体电极上交替生成的H2和O2，可以在接近100%的电解液利用率下连续循环800个周期以上。该水电解技术有望简便而且经济地大规模生产H2。' M6 t% P8 ?6 R% r$ f, N2 ]* A$ B3 w
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这一新型的all-pH-CDWE两电极、单电解槽解耦水电解结构系统，主要包括低成本的电容型电极，和用于解耦水电解的电催化型气体电极。与传统水电解的电压相比，在电流密度为5 mA cm-2时，酸性pH-CDWE的能量效率为94%，碱性pH-CDWE的能量效率为97%。此外，气相色谱与原位电化学质谱测试进一步证实了产生的H2具有高的纯度。该all-pH-CDWE的结构设计能够规模化并很好地应用于实际的水电解，有利于应用可再生能源大规模的生产H2。
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pH-Universal Decoupled Water Electrolysis Enabled by Electrocatalytic Hydrogen Gas Capacitive Chemistry6 |% T* @" W; e
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacsau.2c00624; ?, C8 d+ k1 G0 ^3 @2 S
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作者：陈维团队
/ c) q' e+ N. e6 x" {/ ^编辑：靳小明 * h6 J6 f7 U# _5 Z8 V# }
排版：尹宁流 ! z; U, l. V! G/ {7 w2 a
题图来源：团队供图 3 L( t6 z1 l O3 M0 o
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研究团队
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9 L1 Z: i5 s; z2 U+ q% X通讯作者 陈维：中国科学技术大学应用化学系特任教授、博士生导师，合肥微尺度物质科学国家研究中心教授。2008年于北京科技大学获材料物理学士学位；2013年于阿卜杜拉国王科技大学获材料科学与工程博士学位；2014-2018年于斯坦福大学从事博士后研究工作；2018-2019年在EEnotech公司担任科学家；2019年7月入职中国科学技术大学，专注于大规模储能电池、电催化等研究。独立建组以来，作为(共同)通讯作者在Chemical Reviews, Nature Communications, JACS, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Nano Letters, ACS Catalysis, eScience, Energy Storage Materials等国际期刊发表学术论文40余篇，论文总被引9000余次，H因子45。研究成果获得美国专利5项，中国发明专利20余项。担任eScience, Nano Research Energy, Energy Materials Advances, Battery Energy, Carbon Energy, Chinese Chemical Letters, Transactions of Tianjin University杂志青年编委，Interdisciplinary Materials杂志学术编委，Catalysts杂志编委。
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课题组主页http://staff.ustc.edu.cn/~weichen1
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第一作者 朱正新：中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心博士后。2017年于中国地质大学（武汉）获得工学学士学位，2022年于中国科学技术大学获得理学博士学位。朱正新博士专注于水系可充电氢气电池的开发，以第一作者身份在Chem. Rev.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、JACS Au、Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces等国际期刊发表论文10余篇，论文总被引300余次。7 H1 w" t& ]( L M5 a8 H0 t
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发布期刊JACS Au
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发布时间 2023年1月24日- u& g5 _. g, o) j3 `
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论文标题 pH-Universal Decoupled Water Electrolysis Enabled by Electrocatalytic Hydrogen Gas Capacitive Chemistry5 x% z0 B" L+ S) Y H5 T
(DOI：https://doi.org/10.1021/jacsau.2c00624）
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4 D6 u0 f0 T) [1 g5 H+ t& R3 d8 g: y k点击阅读原文即可查看原论文 |
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发表于 2023-3-4 01:10:13
