基于電池電極的無膜分步法電解技術(shù)
傳統(tǒng)的電解工業(yè)（電解水、氯堿工業(yè)）陰、陽極會(huì)同時(shí)產(chǎn)生兩種氣體，一般采用離子交換膜防止兩種氣體混合，避免爆炸性混合氣體的產(chǎn)生。離子交換膜的使用增加了電解的成本，此外膜內(nèi)阻也增加了電解的能耗。由于陽極和陰極室的氣體壓力必須通過穩(wěn)定的電源輸入保持平衡，很難利用風(fēng)能和太陽能等不穩(wěn)定的可持續(xù)能源來直接為離子膜電解池供電。另一方面，電解池中的高壓氣體和陽極氧化過程的中間產(chǎn)物也會(huì)加劇膜的老化降解，近一步增加電解成本。針對(duì)上述問題，復(fù)旦大學(xué)的夏永姚、王永剛教授研究團(tuán)隊(duì)利用電池電極的可逆充放過程實(shí)現(xiàn)離子-電子的緩存，將現(xiàn)有的電解過程分成制H2和制O2(或Cl2)兩個(gè)分立的過程，發(fā)展了基于電池電極的無膜電解技術(shù)。
近日，該課題組將具有高度可逆的p-摻雜反應(yīng)的聚合物-聚三苯胺作為氧化還原電對(duì)，應(yīng)用到酸性電解水中，成功實(shí)現(xiàn)了酸性介質(zhì)中的分步法電解水制H2和O2[1]。近期，該課題組又采用鈉離子電池電極作為氧化還原中間體，成功實(shí)現(xiàn)了無膜分步法氯堿工藝。其中第一步在NaOH溶液中進(jìn)行，陰極上發(fā)生H2O的氧化產(chǎn)生H2，放出OH-，同時(shí)Na0.44MnO2電極材料充電脫出鈉離子，第一步之后將充電態(tài)的鈉錳氧電極(Na0.44-xMnO2)轉(zhuǎn)入飽和NaCl溶液中進(jìn)行第二步反應(yīng)，此時(shí)陽極上Cl-氧化放出Cl2，同時(shí)充電態(tài)的Na0.44-xMnO2電極材料放電嵌入鈉離子，轉(zhuǎn)化為Na0.44MnO2。上述兩個(gè)步驟可以循環(huán)交替進(jìn)行。Na0.44MnO2是一種環(huán)保型電池電極材料，而且作為一種典型的Na+存儲(chǔ)電極材料，可以很容易地使用常規(guī)的固態(tài)法大規(guī)模生產(chǎn)，因此這一技術(shù)與傳統(tǒng)的氯堿電解工藝相比更為清潔，且有望實(shí)現(xiàn)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.
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