复旦大学夏永姚、王永刚：基于电池电极的无膜分步法电解技术

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传统的电解工业（电解水、氯碱工业）阴、阳极会同时产生两种气体，一般采用离子交换膜防止两种气体混合，避免爆炸性混合气体的产生。离子交换膜的使用增加了电解的成本，此外膜内阻也增加了电解的能耗。由于阳极和阴极室的气体压力必须通过稳定的电源输入保持平衡，很难利用风能和太阳能等不稳定的可持续能源来直接为离子膜电解池供电。另一方面，电解池中的高压气体和阳极氧化过程的中间产物也会加剧膜的老化降解，近一步增加电解成本。针对上述问题，复旦大学的夏永姚、王永刚教授研究团队利用电池电极的可逆充放过程实现离子-电子的缓存，将现有的电解过程分成制H2和制O2(或Cl2)两个分立的过程，发展了基于电池电极的无膜电解技术。

       近日，该课题组将具有高度可逆的p-掺杂反应的聚合物-聚三苯胺作为氧化还原电对，应用到酸性电解水中，成功实现了酸性介质中的分步法电解水制H2和O2[1]。近期，该课题组又采用钠离子电池电极作为氧化还原中间体，成功实现了无膜分步法氯碱工艺。其中第一步在NaOH溶液中进行，阴极上发生H2O的氧化产生H2，放出OH-，同时Na0.44MnO2电极材料充电脱出钠离子，第一步之后将充电态的钠锰氧电极(Na0.44-xMnO2)转入饱和NaCl溶液中进行第二步反应，此时阳极上Cl-氧化放出Cl2，同时充电态的Na0.44-xMnO2电极材料放电嵌入钠离子，转化为Na0.44MnO2。上述两个步骤可以循环交替进行。Na0.44MnO2是一种环保型电池电极材料，而且作为一种典型的Na+存储电极材料，可以很容易地使用常规的固态法大规模生产，因此这一技术与传统的氯碱电解工艺相比更为清洁，且有望实现低成本化[2]。

文章：

[1] Yuanyuan Ma, Xiaoli Dong, Yonggang Wang*, Yongyao Xia. Decoupling hydrogen and oxygen production in acidic water electrolysis using a polytriphenylamine-based battery electrode. Angewandte Chemie International Edition, 2018, 57: 2904-2908.

[2] Mengyan Hou, Long Chen, Zhaowei Guo, Xiaoli Dong, Yonggang Wang*, Yongyao Xia*. A clean and membrane-free chlor-alkali process with decoupled Cl2 and H2/NaOH production. Nature Communications, 2018, 9: 438.