从高考理综到一篇Science——双极隔膜

高考，很多人同做一份试卷，然后再决定去哪一座城市哪一所学校。但最后你或许会发现，其实错的每一道题都是为了遇见对的人，而对的每一道题都是为了遇见更好的自己。

——题记•致曾经拼搏过的自己

上周高考，如火如荼。各地作文题被大家津津乐道，成为议论焦点，而数理化生试卷却谈论甚少。其中道理心照不宣——多年过去，相比于理科大题，高考作文题至少还看得懂……今天，小希就要逆势而上，从一道全国卷理综化学题说起。

传说中的“高考记忆面包”。图片来源于网络

“科学家近年发明了一种新型Zn−CO₂ 水介质电池，电池示意图如下，电极为金属锌和选择性催化材料。放电时，温室气体 CO₂ 被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。”——节选自2020年全国高考理综化学第12题。图中用到了一种叫做“双极隔膜”的结构，这是什么呢？

图片来源：2020年全国高考理综卷

双极膜（bipolar membranes，BPM）是一种新型离子交换膜，提出于20世纪50年代，其膜主体可以分为阴离子交换层（anion-exchange layer，AEL）、阳离子交换层（cation-exchange layer，CEL）和中间界面层，水解离催化剂被夹在中间的离子交换聚合物中。与传统阴、阳离子交换膜不同，双极膜可以大幅度降低内部电阻，同时水解离产物H⁺和OH^-可在电场力的作用下快速迁移到两侧溶液中，为膜两侧的半反应（比如OER/HER）提供各自理想的pH条件。

BPM电解器驱动水解离示意图。图片来源：Science

可别以为双极膜只能用来出出高考题，用的好，它一样是上顶刊的助力。近日，美国俄勒冈大学的Shannon W. Boettcher教授和Sebastian Z. Oener博士等研究者在Science 杂志上发表论文，利用一种双极膜电解器来定量研究多种金属和金属氧化物纳米颗粒的水解离动力学。他们发现，金属纳米颗粒的水解离活性与碱性析氢反应（HER）活性相关。而且，水解离催化剂层在双极膜AEL-CEL界面的确切位置会极大地影响催化剂的活性。于是，他们在界面使用催化剂双层——在酸性的CEL表面和碱性的AEL表面分别引入合适的水解离催化剂纳米颗粒，实现了具有创记录性能的双极膜，水解离过电位低于10 mV（20 mA•cm^-2），纯水双极膜电解器在500 mA•cm^-2电流密度下工作的电解电压仅为~2.2 V。

双极膜水解离研究示意图。图片来源：Science

水的解离对于任何使用水作为反应物的化学反应都非常重要，了解纯水的解离机制，是几十年来实验和理论的研究焦点。尽管双极膜已在工业上进行了小规模应用，然而，其性能只能在低电流密度下稳定，很少有人对双极膜体系进行系统研究，这也导致双极膜的应用缺乏理论基础。

双极膜解离水示意图。图片来源：Sebastian Z. Oener / University of Oregon

研究者设计了一种膜电极组件，将双极膜压在两个刚性多孔集流体之间，组成双极膜电解器，这种方法可以快速研究多种水解离催化剂（~30种材料）的双极膜，并精确地测量每种催化剂的活性。

氧化物纳米粒子解离水的过电位和零电荷点。图片来源：Science

一个有趣的发现是，研究者利用双极膜电解器证明了贵金属纳米颗粒的水解离活性与碱性条件下HER活性呈正相关。这与很多文献报道中复合催化剂的性能提升策略相一致，比如，金属氢氧化物（如氢氧化镍）对Pt等贵金属进行修饰可提高其碱性HER反应活性；而实验中研究者已经证实NiO（在水中羟基化）是一种优良的水解离催化剂。这一发现对于高性能的电催化剂设计具有启发意义。

相同纳米粒子水解离和电催化反应过电位比较。图片来源：Science

研究者还发现，利用酸碱性环境对催化剂性能的影响，可以设计出双层水解离催化剂，使表面的酸碱梯度与AEL/CEL界面在工作电流密度下的pH梯度相匹配，这样能够降低双极膜的过电位，减少能量损失。通过极化曲线比较，即使在较大的电流密度下，双极膜纯水电解器和传统阴、阳离子交换膜电解器的性能相当。

双极膜电解器和传统阴、阳离子交换膜性能对比。图片来源：Science

双极膜系统可以灵活调节两侧的pH值，这为在阴阳两极需要不同酸碱性的装置，如燃料电池、液流电池等提供了更多改进的可能。“这些结果提供了一个初步的模型，可以开拓并推动其在更多领域的研究” ^[1]，Boettcher说。高性能双极膜也将促进废水处理、二氧化碳转化等领域的发展（开篇提到的高考题，就是一个二氧化碳废气处理再利用的模型示例）。Boettcher说，“我们希望这些研究能转化成产品，减少社会对化石燃料的依赖” ^[1]。

PS：最后的最后，又要到一年一度报考大学和专业的时候。有人说，报考学校以及选专业，这件事情极为重要，不仅决定了你接下来几年去哪里打游戏，还决定了你未来几年有没有心情打游戏。作为化学博士，小希身边已经有小伙伴立下家训，今后世世代代子子孙孙再也不许学化学，果然是“干一行，恨一行”的典范。友情提醒各位刚经历过高考的同学，如果你觉得高三是“地狱模式”，那只能说你还太年轻了。选了学校和专业后，可能会开启属于你私人订制的“炼狱模式”；如果进一步读研，那可能是“地狱+炼狱模式”。同为“生化环材”专业的读者，可以留言分享一下自己的故事，毕竟，劝退一个是一个，哈哈~~

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Accelerating water dissociation in bipolar membranes and for electrocatalysis

Sebastian Z. Oener, Marc J. Foster, Shannon W. Boettcher

Science, 2020, DOI: 10.1126/science.aaz1487

参考文献：

1. Scientists dissociate water apart efficiently with new catalysts

https://phys.org/news/2020-07-scientists-dissociate-efficiently-catalysts.html

（本文由小希供稿）