氧化还原介导的流动电池实现空间解耦无外源电荷制氢新策略

为解决传统电解水制氢中析氧反应(OER)动力学缓慢导致的效率瓶颈问题，研究人员开发了基于DHPS/Zn体系的氧化还原介导流动电池系统。该研究通过7,8-二羟基-2-吩嗪磺酸(DHPS)作为阴极液介质，与H-NiFe-LDH催化剂协同，在0.5 V电位差下实现20 mA cm?2产氢速率，法拉第效率提升至75.73%，为间歇性可再生能源制氢提供了新思路。

　　

在全球碳中和战略背景下，氢能作为能量密度达142 MJ kg^?1的清洁能源载体备受关注。然而当前95%的氢仍通过化石燃料制备，电解水制氢虽具潜力，却受限于析氧反应(OER)的四电子转移过程——其动力学缓慢导致系统需承受1.48 V热中性电压阈值，且产生的氧气会腐蚀设备、降低催化剂寿命。更棘手的是，传统电解槽中析氢反应(HER)与OER的强耦合性，使得系统难以适配间歇性可再生能源的波动特性。

针对这些挑战，吉林大学的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表创新成果，提出基于氧化还原介导的流动电池系统。该系统巧妙利用7,8-二羟基-2-吩嗪磺酸(DHPS)作为"电子穿梭体"，配合锌牺牲阳极和H-NiFe-LDH催化剂，首次实现了无需外接电源的空间解耦制氢。研究人员通过电化学测试与原位紫外-可见光谱验证了DHPS在电极/催化剂界面的动态平衡，当采用铜泡沫修饰锌阳极时，系统在仅0.4 V电压平台下即可持续输出高纯氢气，法拉第效率从55.12%显著提升至75.73%。

关键技术包括：1) 水热法制备H-NiFe-LDH催化剂；2) 电化学工作站测试DHPS氧化还原特性；3) 原位紫外光谱监测DHPS-2H转化过程；4) 气相色谱分析氢气纯度；5) 铜泡沫阳极修饰工艺。

原理与材料设计
系统以DHPS为阴极液介质，锌板为牺牲阳极。放电过程中，锌阳极氧化生成[Zn(OH)₄]^2?，同时DHPS在阴极捕获电子质子形成DHPS-2H，后者迁移至储液罐的H-NiFe-LDH催化剂表面自发释放氢气。这种设计使HER与OER完全空间分离，避免了气体交叉污染。

性能优化
电化学测试显示DHPS/H-NiFe-LDH体系的交换电流密度显著优于传统体系。通过K-L方程计算证实，添加过量催化剂可加速DHPS-2H的化学再生速率。铜泡沫修饰的锌阳极将电荷转移电阻降低60%，这是效率提升的关键。

实际应用价值
相比传统电解槽，该系统具有三大优势：1) 工作电压降低67%，适配光伏发电；2) 产氢纯度达99.99%，无需气体分离；3) 采用廉价锌原料，成本仅为铂族催化剂的1/20。研究还发现DHPS介导的"电化学-化学"循环可连续运行200小时无衰减。

这项研究为可再生能源制氢提供了创新解决方案，其空间解耦设计不仅规避了OER瓶颈，更通过氧化还原介导机制实现了能量转换效率的突破。特别值得注意的是，锌基材料的成功应用为开发地球丰度元素催化剂开辟了新途径，对推动氢能经济规模化发展具有重要指导意义。