氢是氨合成等工业化学过程中的重要原料，也是潜在的清洁燃料。目前，大约95%的H2供应是通过催化裂化化石燃料生产的，由于这一过程成本低（每公斤1.34-2.27美元），但这既不可持续，也不环保。尽管水电解有望成为生产高纯度H2的替代技术，但该工艺的商业化受到其高成本（每千克4.15-23.27美元）的限制，主要原因是需要高压输入（1.6-2.0 V）。此外，水电解在阴极产生H2，在阳极产生O2，而H2和O2的产率实际上可能低于可再生能源特有的低功率负载下通过膜的渗透率。在极端情况下，通过膜的气体交叉可能导致爆炸性的H2/O2混合物，这构成了相当大的安全问题。此外，H2/O2混合物和活性催化剂的共存可能会产生活性氧物种，从而破坏电解器中的膜。因此，开发新型、安全和耐用、低电池电压和高氢气生产效率的电解系统有强烈的动力。湖南大学王双印教授/邹雨芹副教授，美国加州大学洛杉矶分校段镶锋教授，深圳大学符显珠教授，南京师范大学李亚飞教授等人合作在Nature Catalysis上发表文章，Combined anodic and cathodic hydrogen production from aldehyde oxidation and hydrogen evolution reaction，展示了一个阴极和阳极都产氢的电解系统，解决了电解水体系的高电压、高能耗和产氧问题。本文报道了一个双极产氢系统，该系统在~0.1 V的低电池电压下，阴极和阳极同时产生氢气。该系统不是直接基于水的分解而来的，而是通过生物质衍生醛的低电位阳极氧化与阴极HER耦合来实现的。阳极反应涉及醛在0.05 V vs RHE的低起始电位下，在金属铜催化剂上电催化转化为相应的羧酸盐和H2，反应如下：由于偏置电位低，醛基的氢原子通过塔菲尔重组释放为H2，而不是像传统的醛电氧化那样通过Volmer步骤被氧化成H2O。值得一提的是，使用的醛（5-羟甲基糠醛和糠醛）是大量且易于获取的生物质衍生品，可以从各种可持续生物质原料（如淀粉、纤维素和半纤维素）中提取，氧化产物（对应羧酸）是增值化学品，也是包括药物分子、香水和可持续聚合物在内的一系列产品的重要前体。在组装的电解槽中，双极氢气的起始电压低于0.1 V。有趣的是，法拉第氢气生产效率（FE）在阳极和阴极都是100%，因此表观的FE为200%。由于电池电压低，FE高，双极氢气生产系统中每立方米氢的电力输入仅为约0.35千瓦时，约为常规水电解值（约5千瓦时）的1/14。该系统为安全、高效、规模化生产高纯氢气提供了一条有前途的途径。
1. Wang, T., Tao, L., Zhu, X. et al. Combined anodic and cathodic hydrogen production from aldehyde oxidation and hydrogen evolution reaction. Nat Catal (2021).
https://doi.org/10.1038/s41929-021-00721-y2. Transform electrocatalytic biomass upgrading and hydrogen production from electricity input to electricity outputhttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202115636
