设计基于醌的电极，以实现快速反应动力学，用于无膜分离的酸性水电解过程

《Renewable Energy》：Designing Quinone-Based electrodes with Rapid Kinetics for Membrane-Free Decoupled Acidic Water Electrolysis

有机苯醌作为红ox介质实现脱耦合酸性水电解制氢，其中四氯化苯醌（TCBQ）电极在2 A g-1电流密度下表现出129 mAh g-1的高容量，优于苯醌（BQ）和四甲基苯醌（TMBQ）。构建的膜-free脱耦合电解水系统能高效分离产氢与产氧过程，结合硅基太阳能电池（效率18.1%）实现12.5%的太阳能制氢转换效率。

　　本研究聚焦于一种新型的解耦水电解（Decoupled Water Electrolysis, DWE）技术，该技术通过引入有机小分子媒介电极，实现了氢气析出反应（Hydrogen Evolution Reaction, HER）和氧气析出反应（Oxygen Evolution Reaction, OER）在时间和空间上的分离。这种技术的出现，为高效、环保地生产绿色氢能提供了新的思路，尤其是在利用可再生能源发电的情况下。传统的一步水电解过程依赖离子交换膜，虽然能够实现H?和O?的分离，但其存在成本高、系统复杂等问题，限制了其在实际应用中的推广。而解耦水电解技术通过采用液态或固态媒介电极，能够有效避免这些问题，从而提高系统的灵活性和经济性。

有机醌类化合物因其独特的电子传递特性和质子耦合能力，被认为是具有潜力的媒介电极材料。在酸性电解质中，这些化合物能够有效结合质子，并且具备可逆的氧化还原特性。然而，现有的有机醌类材料在酸性环境中存在一定的局限性，如分子结构易发生降解、溶解度较高，导致其在长时间运行过程中活性位点减少，进而影响整体性能。因此，如何通过分子设计策略提升醌类化合物在酸性电解质中的稳定性与性能，成为当前研究的重要方向。

本研究中，我们系统地设计并制备了基于苯醌及其衍生物的媒介电极，包括四氯苯醌（Tetrachlorobenzoquinone, TCBQ）和四甲基苯醌（Tetramethylbenzoquinone, TMBQ）。其中，TCBQ表现出优异的性能，其在2 A g?1电流密度下的比容量达到129 mAh g?1，远超BQ和TMBQ。这一优异性能主要归因于氯原子的电子供体效应，使得TCBQ在酸性环境中具有更高的电化学活性和稳定性。此外，TCBQ还被用于构建一种无需膜的解耦水电解系统，实现了氢气的高效生产。通过将该电解系统与硅基太阳能电池（效率为18.1%）结合，最终实现了12.5%的太阳能到氢能（Solar-to-Hydrogen, STH）转换效率。这一成果不仅展示了醌类化合物在酸性水电解中的应用潜力，也表明其在可再生能源转化领域的重要价值。

在实验过程中，媒介电极的制备采用了特定的工艺流程。首先，将苯醌及其衍生物（BQ、TCBQ、TMBQ）、炭黑（Ketjen Black, KB）和聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene, PTFE）按一定比例（5:4:1）混合，随后通过滚压机将混合物反复压实成薄膜。最后，将薄膜电极压附在钛网（Ti mesh）上，以增强其结构稳定性。这一制备方法不仅保证了电极材料的均匀分布，还提升了其在电解过程中的导电性和机械强度。

为了深入理解所制备电极材料的物理和化学特性，我们进行了系统的材料表征。通过高分辨率扫描电子显微镜（SEM）对三种醌类材料的表面形貌进行了分析，结果表明其具有良好的微观结构和均匀的分布。同时，采用X射线衍射仪（XRD）对电极材料的晶体结构进行了研究，结果显示这三种材料均呈现出典型的晶体衍射峰，表明其具有良好的结晶性。此外，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）对材料的分子结构进行了检测，进一步确认了醌类化合物的化学组成及其在电解过程中的反应特性。

实验结果表明，TCBQ在酸性电解质中表现出显著的电化学活性。其比容量在2 A g?1电流密度下仍能保持在129 mAh g?1，这一性能优于其他两种电极。同时，TCBQ在200次循环测试中展现出良好的循环稳定性，即使在较高的电流密度下，其性能衰减也较小。这一特性使得TCBQ成为一种理想的媒介电极材料，能够满足酸性水电解系统对高稳定性和高效率的要求。此外，通过构建膜自由的解耦水电解系统，我们实现了氢气的高效生产。该系统能够在不依赖离子交换膜的情况下，将HER和OER分离进行，从而避免H?/O?混合气体的产生，提高了系统的安全性。

在实际应用中，解耦水电解系统能够与多种可再生能源技术相结合，如太阳能、风能等。通过将电解系统与高效太阳能电池（如硅基太阳能电池）耦合，可以实现太阳能到氢能的高效转换。这一过程不仅提高了系统的整体效率，还降低了生产成本，使得绿色氢能的生产更加经济可行。同时，该技术的灵活性也使其能够适应不同的应用场景，如工业生产、交通能源、储能系统等。

本研究还强调了有机媒介电极在酸性水电解中的优势。相比传统的无机媒介电极，有机媒介电极具有更好的可再生性、更灵活的分子设计能力以及更丰富的活性位点。这些特性使得有机媒介电极能够更高效地参与电化学反应，提高整体的反应速率和能量转换效率。此外，有机媒介电极的分子结构可以通过化学修饰进行调控，从而进一步优化其在酸性环境中的性能。这种分子工程策略为未来开发高性能的有机媒介电极提供了新的思路。

为了验证TCBQ在实际电解过程中的性能，我们还进行了系统的实验测试。测试结果表明，TCBQ不仅在高电流密度下保持较高的比容量，还表现出良好的循环稳定性。这使得TCBQ成为一种适用于酸性水电解系统的理想媒介电极材料。此外，TCBQ的引入还显著提高了系统的安全性，因为其能够有效避免H?/O?混合气体的产生，从而降低了爆炸风险。

本研究的成果表明，有机媒介电极在酸性水电解系统中具有广阔的应用前景。通过合理设计和优化媒介电极材料，可以显著提高系统的整体性能，包括反应效率、稳定性、安全性等。同时，该技术的实施还能够促进可再生能源的利用，推动绿色氢能的规模化生产。在未来，随着材料科学和电化学技术的不断发展，有机媒介电极有望成为解耦水电解系统中的主流材料，为实现低碳、可持续的能源体系提供有力支持。

本研究的创新点在于首次系统地将有机醌类化合物应用于酸性水电解系统，并通过分子设计策略显著提升了其性能。同时，该研究还构建了一种无需膜的解耦水电解系统，实现了氢气的高效生产。这一成果不仅拓展了有机媒介电极的应用范围，还为未来绿色氢能的生产提供了新的技术路径。此外，通过将电解系统与太阳能电池结合，我们成功实现了太阳能到氢能的高效转换，进一步证明了该技术在可再生能源转化中的潜力。

在应用推广方面，解耦水电解系统具有重要的现实意义。其无需膜的设计使得系统更加简单，降低了制造和维护成本。同时，该系统能够与现有的工业设备相结合，如过滤压电解槽，从而实现大规模生产。此外，该技术还能够适应不同的电解环境，如酸性、中性等，使得其在多种应用场景中具有更高的适用性。

本研究的成果表明，有机媒介电极在酸性水电解系统中具有重要的应用价值。通过合理的分子设计和优化，可以显著提升其性能，使其成为一种高效的媒介电极材料。同时，该技术的实施还能够促进可再生能源的利用，推动绿色氢能的规模化生产。在未来，随着材料科学和电化学技术的不断发展，有机媒介电极有望成为解耦水电解系统中的主流材料，为实现低碳、可持续的能源体系提供有力支持。

本研究的作者团队由多位研究人员组成，他们在不同领域发挥了重要作用。其中，Yubin Chen负责论文的撰写、审阅与编辑，并提供了资金支持；Lixia Pan提供了实验资源；Pengfei Wang进行了实验研究；Chuxuan Zhang负责概念设计；Tuo Zhang参与了实验研究；Fei Lv则负责论文的撰写、原始草案、方法设计以及数据整理。这种多元化的合作模式不仅保证了研究的全面性和系统性，还提高了研究的创新性和实用性。

在研究过程中，我们还对所使用的材料进行了系统的表征和分析。通过X射线衍射仪（XRD）对电极材料的晶体结构进行了研究，结果表明这三种材料均具有良好的结晶性。同时，通过高分辨率扫描电子显微镜（SEM）对材料的表面形貌进行了分析，进一步验证了其在电解过程中的适用性。此外，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）对材料的分子结构进行了检测，确保了其在电解过程中的化学稳定性。

本研究的实验结果表明，TCBQ在酸性水电解系统中表现出优异的性能。其比容量在2 A g?1电流密度下仍能保持在129 mAh g?1，远超其他两种电极。同时，TCBQ在200次循环测试中展现出良好的循环稳定性，表明其在实际应用中具有较高的可靠性。此外，TCBQ的引入还显著提高了系统的安全性，因为其能够有效避免H?/O?混合气体的产生，从而降低了爆炸风险。

综上所述，本研究展示了有机醌类化合物在酸性水电解系统中的应用潜力。通过合理的分子设计和优化，TCBQ表现出优异的电化学性能和循环稳定性，使其成为一种理想的媒介电极材料。同时，该研究还构建了一种无需膜的解耦水电解系统，实现了氢气的高效生产。这一成果不仅拓展了有机媒介电极的应用范围，还为未来绿色氢能的生产提供了新的技术路径。在未来，随着材料科学和电化学技术的不断发展，有机媒介电极有望成为解耦水电解系统中的主流材料，为实现低碳、可持续的能源体系提供有力支持。