近日，復旦大學
王永剛教授、夏永姚教授及其同事利用一種具有電化學活性的高分子——聚三苯胺（polytriphenylamine），首次組裝了一種無需質子交換膜、可分別進行產氫或產氧過程的新型太陽光分解水器件。光解水是頗具前景的一種可持續獲取清潔能源的方法。有別於傳統電解水依賴電能為輸入能量分解水，光解水過程則利用太陽能將水分解為氫氣和氧氣。所獲得的氫氣（主要產品）可作清潔燃料使用，氧氣（次要產品）則可供與燃料電池或空氣電池獲取電能。
完整的光解水過程由產氫和產氧兩個反應組成，且傳統的光解水器件這兩項過程需同時發生。這樣的特點為傳統光解水帶來了不少瓶頸。其中最主要的制約便是與產氧反應動力學相關。由於產氧的速率遠比產氫慢，慢速的產氧過程會降低氫氣的產量，拉低光解水整體的能量利用效率。此外，傳統光解水器件需要使用價格昂貴的質子交換膜以保證產氫和產氧環境適宜的pH值。但是，質子交換膜的使用不可避免地增加了光解水獲取氫氣的生產成本。
本工作利用聚三苯胺製備電極實現了可分立地進行產氫和產氧過程的光解水過程，有效地解決了上述難題。如圖1a所示，聚三苯胺可以“吸收”存在於水中的離子（本文為硫酸根離子）並釋放電子，形成“摻雜態”。摻雜的聚三苯胺“吐出”離子並獲取電子，恢復“中性態”。這種電子釋放和獲取的過程賦予了聚三苯胺電化學活性。循環伏安測試結果表明，聚三苯胺在硫酸水溶液中的充電和放電電位正好位於產氫和產氧電位之間（圖1b），使其可以分別參與產氫和產氧過程（詳見下文）。
圖1. a) 聚三苯胺的充放電過程所伴隨的自身結構變化。b) 聚三苯胺的充放電位於產氫和產氧電位之間。這種電位位置使得聚三苯胺可以釋放電子驅動產氫過程，亦可以接受電子驅動產氧過程。
圖2所示是本工作中展示的一種三電極構型的光解水器件。位於正中的是聚三苯胺電極，左側是附有產氫催化劑（金屬鉑）的鈦網電極，右側是負載產氧催化劑（二氧化釕與二氧化銥）的電極。整個體系裝滿硫酸水溶液（電解質，提供硫酸根）。通過不同的電極連接方式實現聚三苯胺電極與兩側不同迴路的連通。
圖2. 本工作展示的三電極光解水器件結構及工作原理示意圖。
當連接聚三苯胺和左側電極時，產氫迴路接通。中性態聚三苯胺進行充電：放出電子，接受硫酸根，形成“摻雜態”。這些釋放的電子沿著外電路來到左側，在催化劑表面還原存在於溶液中的質子，產生氫氣。此時產氧迴路沒有連通，產氧不進行。
當產氫過程結束後，將聚三苯胺和右側電極連接，產氧迴路接通。此時水在產氧催化劑表面被氧化為氧氣，所放出的電子順著外電路來到“摻雜態”聚三苯胺中，進行放電過程：放出硫酸根，恢復“中性態”。由於產氫迴路被斷開，產氫不進行。上述過程循環往復，從而實現產氫-產氧過程的交替。
作者們對所設計製造出的光解水電池進行了實際性能測試。該新型光解水器件與一塊太陽能電池板（將太陽能轉化為電壓輸入）連通後，在普通日照條件下觀察到了明顯的產氫和產氧（圖3）。實測光-氫轉換效率為5.4%（可更換性能更好的太陽能電池板予以進一步提高），且在至少約40小時內性能維持穩定。
圖3. 使用聚三苯胺光解水器件的a）產氫和b）產氧過程
本工作將傳統光解水同時發生的產氫和產氧過程分離開，極大地提高了光解水過程的靈活性及效率。當白天光照充足時，可將器件設為“產氫模式”，儘可能多地獲得氫氣；而在夜晚光照不足或能源需求小時，再將器件設為“產氧模式”，獲得氧氣副產品，並將聚三苯胺恢復至“中性態”以備日後產氫使用。
全文鏈接：
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201800436/abstract
投稿 薦稿 合作 發佈招生、招聘信息請聯繫：[email protected]
閱讀更多 高分子科學前沿 的文章
