【研究背景】

      水电解制氢是目前公认的环境友好的制氢方式。水电解制氢包含两个半反应: 阴极析氢反应以及阳极析氧反应。动力学来讲，酸性的阴极析氢反应以及碱性的阳极析氧反应需要的过电位要小于碱性的阴极析氢反应以及酸性的阳极析氧反应。因此，对于单电解质电解槽（碱性电解槽或者是质子交换膜电解槽）来讲，很难取得较高的水电解反应速率。此外，相对于碱性电解槽，尽管质子交换膜电解槽呈现出较大的发展前景，然而酸性的强烈腐蚀导致了只能用贵金属铱或者是钌作为催化剂，大大增加了电解槽的成本。尽管目前发展的绝大多数非贵金属催化剂对酸性析氧反应不显示活性，但是其对酸性析氢以及碱性析氧却展示出较好的催化性能。因此，联合这两个半反应以及非贵金属催化剂，发展新型的电解槽不仅可以获得较高的产氢速率，同时可以降低电解槽对于催化剂的要求以及电解槽自身的成本。

【成果介绍】

图1. (A) 合成的Co-Ni-P的TEM图像。双极膜分离的Telfon电解池中水电解性能 (B，C) 以及 (D) 稳定性。(E) 本工作中使用的单电池图像。双极膜基的单电池水电解性能 (F)以及(G)稳定性。

近日，伊比利亚纳米国际实验室刘利峰研究员课题组报道了一种基于双极膜的新型电解槽。得益于双极膜保持的PH梯度以及双功能的Co-Ni-P催化剂（图1A），该电解槽可以通过酸性阴极析氢以及碱性阳极析氧来完成水分解反应。该课题组许军元博士首先利用Telfon电解池进行测试，结果表明（图1B），采用Co-Ni-P双功能催化剂以及双极膜构建的非对称式电解槽（Co-Ni-P/NF in 1.0 M NaOH‖BPM‖Co-Ni-P/NF in 0.5 M H2SO4，10 mA cm-2时，槽压仅为1.567V）的性能要优于传统的碱性电解槽（Co-Ni-P/NF‖AEM‖Co-Ni-P/NF in 1.0 M NaOH）、质子交换膜电解槽（RuO2‖PEM‖Pt/C in 0.5 M H2SO4）以及同等条件下采用商业贵金属催化剂的非对称式电解槽（RuO2 in 1.0 M NaOH‖BPM‖Pt/C in 0.5 M H2SO4）。同时，由于可能存在的电解中和反应，采用“irregular”双极膜的电解槽，10 mA cm-2时，槽压（图1C，红线）可以降低至0.847V。同时稳定性测试表明（图1D），该非对称式电解槽工作100小时后，基本无衰减。进一步的单电池测试表明（图1E，F以及G），基于双极膜的单电池显示出非常好的活性（10mA cm-2时，槽压仅为1.550或是0.841 V）以及稳定性。此外，在该工作中，研究人员还证明了太阳能电池能够驱动非对称式双极膜水分解。在只有光照未加任何外偏压的情况下电解槽能在13 mA cm-2流密度下产氢及产氧。