俄勒冈大学团队提高双极膜催化水解离性能

（图片来源:greencarcongress）

据外媒报道，俄勒冈大学研究人员成功提高双极膜的催化水解离性能。此项研究为打造电化学装置提供路线图，可受益于双极膜的关键特性，即在装置内部产生质子和氢氧根离子，并将这些离子直接供给电极，以生产最终的化学产品。

研究人员Oener等人表示，在双极膜(BPM)中，共聚阳离子交换层（CEL）与阴离子交换层（AEL）相接触。其中，CEL层由固定阴离子基团和可移动阳离子组成，而AEL层由固定阳离子基团和可移动阴离子组成。当对BPM施加足够的偏压时，在AEL/CEL界面处会发生异溶性水解离，即H2O→H+ + OH-，然后，H+通过CEL层， OH-通过AEL

双极膜技术出现于20世纪50年代，即在层状的离子交换聚合物中间，夹着一个水解离催化剂层。这种技术已经在工业领域小规模应用，但是，由于需要在低电流密度下进行操作，其进一步发展受到限制。

俄勒冈大学的化学和生物化学系教授、俄勒冈州电化学中心创始负责人Shannon W.Boettcher表示，这些应用设备可以利用水和电产生氢气、从海水中捕获二氧化碳，或直接利用二氧化碳中生产碳基燃料。

主要研究人员Sebastian Z.Oener表示，一般来说，在整个系统中，诸如电池、燃料电池和电解槽等水基电化学设备在单一pH值下运行。该系统要么是酸性的，要么是碱性的。“因此，通常需要使用昂贵的贵重金属来催化电极反应，如地球上最稀有的金属之一铱；或者牺牲催化剂活性，增加电化学反应器所需的能量输入。双极膜可以在理想的pH环境中，对每种电催化剂进行局部操作，从而克服这类问题。“

研究团队使用一种膜电极组装，将聚合物双极膜压缩在两个坚固的多孔电极之间。通过这种方法，可以制作大量具有不同水解离催化剂层的双极膜，并精确地测量每一层的活性。

研究团队发现，每个催化剂层在双极膜连接处的确切位置，即双极膜中氢氧化物导电层和质子导电层之间的界面，会显著影响催化剂的活性。他们在此基础上，利用催化剂双层膜，打造性能优良的双极膜，这种双极膜可以将水基本分离，而不产生额外的能量损失。研究人员Shannon Boettcher称：”最令人惊讶的是，可以通过将不同类型的催化剂层层叠加在一起，显著改善其性能。这很简单，但还没有得到充分的探索。“

Oener说，第二个关键发现是，在双极膜内发生的水解离反应，与电催化剂表面发生的反应存在基础性关联，比如在基本pH条件下制造氢燃料时，可以从水分子中直接提取质子。”这是独特的，以前电化学反应中发生的各个步骤不可能分离。它们相互关联，包括电子和中间产物，并且连续进行。通过双极膜结构，我们可以单独进行水解离的化学步骤，并进行单独研究。“

他说，这一发现也可能改进电催化剂，用于从水中直接制造还原燃料的反应，例如利用二氧化碳废气来制造氢气或液体燃料。

Boettcher说，这些发现提供了试验性机械模型，可以打开这个领域，并激发更多的研究。目前，研究人员正在为他们开发的双极膜技术申请专利。