采用可再生能源驱动的电解水技术是一种可持续的制氢方式。但是，传统的电解水过程却面临着氢气和氧气同时/同步产生，需要使用隔膜，会产生具有爆炸性的氢氧混合气，阴、阳两极动力学的差异限制了可再生能源的直接使用。并且，H2/O2和催化剂的共同存在还会降低膜的使用寿命。因此，开发新的电解制氢体系对于未来可持续氢能的发展具有重要的意义。
近日，东华大学杨建平课题组采用二喹喔啉并[2,3-a:2',3'-c]吩嗪（HATN）作为氧化还原电对，在酸性电解液中实现了氢气和氧气的分时、分地制备。该分步电解体系包括两个步骤，即制氧步骤和制氢步骤。在制氧时（即步骤1），HATN作为阴极被还原（HATN→HATN-6H），在制氢时（即步骤2），HATN作为阳极重新被氧化（HATN-6H→HATN）。由于HATN具有较高的可逆稳定性，步骤1和步骤2可以很好地循环，实现了无膜条件下氢气和氧气的分步制备。
图1 基于HATN的分步电解过程示意图 图2 HATN电极的反应机理研究，（a）HATN在1 A g-1电流密度下的充放电曲线，（b-d）非原位红外光谱图，（e）非原位N 1s XPS谱图 为了证明HATN的反应机理，采用非原位红外对材料的不同充放电状态进行了研究（图2）。结果表明，C=N键（1520 cm-1）在HATN放电过程中逐渐变弱，在充电过程中逐渐增强；-NH-键（1642 cm-1）在放电过程中逐渐变强，在充电过程中逐渐变弱。表明C=N键在充放电过程中可以通过配位/不配位反应储存/释放H+。 图3 基于HATN的分步电解制氢体系稳定性 HATN分子的π共轭芳香结构能够促进电荷的转移及H+的快速嵌入/脱出，使其具有优异的倍率性能；且π-π分子的相互作用可以抑制HATN在电解液中的溶解，提高了其稳定性。由于HATN电极优异的电化学性能，基于HATN电极的分步电解体系表现出优异的制氢性能。如图3所示，该分步体系可以在不同电流、电压下电解，证明了其可以适应可再生能源的波动性；并且长时间的循环稳定测试其电解电位并没有发生很大变化，证明了该分步电解制氢装置的稳定性。这一研究工作将为有机电极材料的应用提供方向，并为分步电解制氢的发展打下基础。 论文信息 Phenazine-based Compound Realizing Separate Hydrogen and Oxygen Production in Electrolytic Water Splitting Kangxi Wu, Haoze Li, Shuaika Liang, Dr. Yuanyuan Ma, Prof. Jianping Yang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202303563
