复旦大学王永刚、夏永姚：聚三苯胺助力实现光解水分立式产氢产氧

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近日，复旦大学王永刚教授、夏永姚教授及其同事利用一种具有电化学活性的高分子——聚三苯胺（polytriphenylamine），首次组装了一种无需质子交换膜、可分别进行产氢或产氧过程的新型太阳光分解水器件。

光解水是颇具前景的一种可持续获取清洁能源的方法。有别于传统电解水依赖电能为输入能量分解水，光解水过程则利用太阳能将水分解为氢气和氧气。所获得的氢气（主要产品）可作清洁燃料使用，氧气（次要产品）则可供与燃料电池或空气电池获取电能。

完整的光解水过程由产氢和产氧两个反应组成，且传统的光解水器件这两项过程需同时发生。这样的特点为传统光解水带来了不少瓶颈。其中最主要的制约便是与产氧反应动力学相关。由于产氧的速率远比产氢慢，慢速的产氧过程会降低氢气的产量，拉低光解水整体的能量利用效率。此外，传统光解水器件需要使用价格昂贵的质子交换膜以保证产氢和产氧环境适宜的pH值。但是，质子交换膜的使用不可避免地增加了光解水获取氢气的生产成本。

本工作利用聚三苯胺制备电极实现了可分立地进行产氢和产氧过程的光解水过程，有效地解决了上述难题。如图1a所示，聚三苯胺可以“吸收”存在于水中的离子（本文为硫酸根离子）并释放电子，形成“掺杂态”。掺杂的聚三苯胺“吐出”离子并获取电子，恢复“中性态”。这种电子释放和获取的过程赋予了聚三苯胺电化学活性。循环伏安测试结果表明，聚三苯胺在硫酸水溶液中的充电和放电电位正好位于产氢和产氧电位之间，使其可以分别参与产氢和产氧过程。

本工作中展示的一种三电极构型的光解水器件。位于正中的是聚三苯胺电极，左侧是附有产氢催化剂（金属铂）的钛网电极，右侧是负载产氧催化剂（二氧化钌与二氧化铱）的电极。整个体系装满硫酸水溶液（电解质，提供硫酸根）。通过不同的电极连接方式实现聚三苯胺电极与两侧不同回路的连通。

当连接聚三苯胺和左侧电极时，产氢回路接通。中性态聚三苯胺进行充电：放出电子，接受硫酸根，形成“掺杂态”。这些释放的电子沿着外电路来到左侧，在催化剂表面还原存在于溶液中的质子，产生氢气。此时产氧回路没有连通，产氧不进行。

当产氢过程结束后，将聚三苯胺和右侧电极连接，产氧回路接通。此时水在产氧催化剂表面被氧化为氧气，所放出的电子顺着外电路来到“掺杂态”聚三苯胺中，进行放电过程：放出硫酸根，恢复“中性态”。由于产氢回路被断开，产氢不进行。上述过程循环往复，从而实现产氢-产氧过程的交替。

作者们对所设计制造出的光解水电池进行了实际性能测试。该新型光解水器件与一块太阳能电池板（将太阳能转化为电压输入）连通后，在普通日照条件下观察到了明显的产氢和产氧。实测光-氢转换效率为5.4%（可更换性能更好的太阳能电池板予以进一步提高），且在至少约40小时内性能维持稳定。

本工作将传统光解水同时发生的产氢和产氧过程分离开，极大地提高了光解水过程的灵活性及效率。当白天光照充足时，可将器件设为“产氢模式”，尽可能多地获得氢气；而在夜晚光照不足或能源需求小时，再将器件设为“产氧模式”，获得氧气副产品，并将聚三苯胺恢复至“中性态”以备日后产氢使用。

全文链接：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201800436/abstract