氫是氨合成等工業化學過程中的重要原料，也是潛在的清潔燃料。目前，大約95%的H2供應是通過催化裂化化石燃料生產的，由于這一過程成本低（每公斤1.34-2.27美元），但這既不可持續，也不環保。盡管水電解有望成為生產高純度H2的替代技術，但該工藝的商業化受到其高成本（每千克4.15-23.27美元）的限制，主要原因是需要高壓輸入（1.6-2.0 V）。此外，水電解在陰極產生H2，在陽極產生O2，而H2和O2的產率實際上可能低于可再生能源特有的低功率負載下通過膜的滲透率。在極端情況下，通過膜的氣體交叉可能導致爆炸性的H2/O2混合物，這構成了相當大的安全問題。此外，H2/O2混合物和活性催化劑的共存可能會產生活性氧物種，從而破壞電解器中的膜。因此，開發新型、安全和耐用、低電池電壓和高氫氣生產效率的電解系統有強烈的動力。湖南大學王雙印教授/鄒雨芹副教授，美國加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授，深圳大學符顯珠教授，南京師范大學李亞飛教授等人合作在Nature Catalysis上發表文章，Combined anodic and cathodic hydrogen production from aldehyde oxidation and hydrogen evolution reaction，展示了一個陰極和陽極都產氫的電解系統，解決了電解水體系的高電壓、高能耗和產氧問題。本文報道了一個雙極產氫系統，該系統在~0.1 V的低電池電壓下，陰極和陽極同時產生氫氣。該系統不是直接基于水的分解而來的，而是通過生物質衍生醛的低電位陽極氧化與陰極HER耦合來實現的。陽極反應涉及醛在0.05 V vs RHE的低起始電位下，在金屬銅催化劑上電催化轉化為相應的羧酸鹽和H2，反應如下：由于偏置電位低，醛基的氫原子通過塔菲爾重組釋放為H2，而不是像傳統的醛電氧化那樣通過Volmer步驟被氧化成H2O。值得一提的是，使用的醛（5-羥甲基糠醛和糠醛）是大量且易于獲取的生物質衍生品，可以從各種可持續生物質原料（如淀粉、纖維素和半纖維素）中提取，氧化產物（對應羧酸）是增值化學品，也是包括藥物分子、香水和可持續聚合物在內的一系列產品的重要前體。在組裝的電解槽中，雙極氫氣的起始電壓低于0.1 V。有趣的是，法拉第氫氣生產效率（FE）在陽極和陰極都是100%，因此表觀的FE為200%。由于電池電壓低，FE高，雙極氫氣生產系統中每立方米氫的電力輸入僅為約0.35千瓦時，約為常規水電解值（約5千瓦時）的1/14。該系統為安全、高效、規模化生產高純氫氣提供了一條有前途的途徑。
1. Wang, T., Tao, L., Zhu, X. et al. Combined anodic and cathodic hydrogen production from aldehyde oxidation and hydrogen evolution reaction. Nat Catal (2021).
https://doi.org/10.1038/s41929-021-00721-y2. Transform electrocatalytic biomass upgrading and hydrogen production from electricity input to electricity outputhttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202115636
