清華新聞網(wǎng)5月29日電 水作為最常見(jiàn)的化合物之一，廣泛分布于地球及地外環(huán)境中，其主要存在形式涵蓋液態(tài)、固態(tài)（冰）和氣態(tài)。在伏特和法拉第的時(shí)代，人們就認(rèn)識(shí)了水的電解現(xiàn)象。歷經(jīng)兩個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，電解水已成為可再生能源領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。同時(shí)，氣相水的電化學(xué)分解也取得了顯著進(jìn)展，并在中高溫固體氧化物電解池（SOEC）體系中實(shí)現(xiàn)了部分工業(yè)化應(yīng)用。然而，在低溫環(huán)境中，能否將固態(tài)的冰直接分解以獲取氫氣和氧氣，依然是一個(gè)懸而未解的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。
近日，清華大學(xué)材料學(xué)院伍暉教授團(tuán)隊(duì)合作報(bào)道了固態(tài)冰的直接電解現(xiàn)象和電化學(xué)分解機(jī)制，系統(tǒng)揭示了冰在低溫下的離子輸運(yùn)機(jī)制和電極反應(yīng)過(guò)程，并成功實(shí)現(xiàn)在低溫環(huán)境中從固態(tài)冰中直接制備氫氣（H?）和氧氣（O?）。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子（H?）和氫氧根離子（OH?）可在冰晶結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)高效遷移，低溫下的高效離子輸運(yùn)可驅(qū)動(dòng)冰晶格內(nèi)水分子發(fā)生電解反應(yīng)。通過(guò)構(gòu)建摻雜質(zhì)子或氫氧根的固態(tài)冰電解質(zhì)體系，團(tuán)隊(duì)在零下40°C條件下實(shí)現(xiàn)了冰的直接電化學(xué)分解。
圖.冰的電化學(xué)分解。（a）不同物相的H2O分子電解。（b）零下30°C觀察到冰的一步電解過(guò)程（沉浸在環(huán)己烷惰性溶劑中）
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，質(zhì)子摻雜冰電解質(zhì)在零下10°C時(shí)展現(xiàn)出33.5 mS·cm?1的較高離子電導(dǎo)率，接近室溫下液態(tài)電解質(zhì)的水平。在零下10°C、10 mA·cm?2電流密度下，冰分解反應(yīng)的電壓為2.18V，能量效率約為70%，驗(yàn)證了低溫條件下固態(tài)冰直接電解的可行性與較高的能量轉(zhuǎn)化效率。
該成果不僅拓展了水電解技術(shù)的溫度適用范圍，更從根本上揭示了冰作為低溫離子導(dǎo)體和固態(tài)電解質(zhì)材料的獨(dú)特潛力。在基礎(chǔ)科學(xué)層面，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論證實(shí)了基于冰晶體表面的固固界面電化學(xué)催化析氫和析氧反應(yīng)，并深化了對(duì)冰晶格中離子遷移機(jī)制的理解。在技術(shù)層面，為全固態(tài)低溫電池、冰基電化學(xué)反應(yīng)裝置等新型器件的開(kāi)發(fā)提供了理論支撐與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。在可持續(xù)發(fā)展層面，為極地探索、深空和地外任務(wù)及其他極端環(huán)境中的原位資源利用和能源供給，提供了綠色、高效的解決思路，契合極端環(huán)境能量轉(zhuǎn)化與深空資源利用的發(fā)展方向。
相關(guān)研究成果以“冰直接電解制備氫氣與氧氣”（Direct Ice Splitting into H? and O? Enabled by High Ionic Conductivity）為題，于5月23日在線發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society）。
清華大學(xué)材料學(xué)院2020級(jí)博士生鄧鉑瀚為論文第一作者，伍暉和暨南大學(xué)李希波副教授為論文共同通訊作者。論文合作者還包括清華大學(xué)航天航空學(xué)院高華健院士、李曉雁教授，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院彭海琳教授，中國(guó)科學(xué)院物理研究所王立芬副研究員等。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、基礎(chǔ)科學(xué)中心等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/jacs.5c01779
供稿：材料學(xué)院
編輯：李華山
圖片設(shè)計(jì)：王琦鑫
審核：郭玲
