基于此,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)任曉迪教授和南開(kāi)大學(xué)陳軍院士團(tuán)隊(duì)陶占良教授等人研究了如何從HER的本質(zhì)出發(fā)抑制水系電解液HER的發(fā)生。析氫過(guò)程不僅會(huì)破壞水分子中的化學(xué)鍵,也會(huì)破壞水分子間氫鍵。因此,HER和氫鍵的形成是相互競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系。他們通過(guò)DMSO的添加來(lái)操控水分子之間的氫鍵,作為“氫鍵受體”的DMSO可以將H2O-H2O中的弱氫鍵相互作用替換成了DMSO-H2O之間的強(qiáng)氫鍵相互作用,使得水分子在去質(zhì)子化過(guò)程變的困難,從而達(dá)到抑制析氫的效果。相關(guān)成果以Designing Electrolyte Structure to Suppress Hydrogen Evolution Reaction in Aqueous Batteries為題發(fā)表在ACS Energy Letters上。
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圖1(a)HER過(guò)程示意圖。(b)DMSO和水分子之間的氫鍵模式。(c)當(dāng)將不同摩爾分?jǐn)?shù)的DMSO和水混合時(shí)的熱成像圖片。(不同區(qū)域的溫度可能不同。)(d)在2 m NaClO4-(0-0.5)電解質(zhì)中,在10 mV s-1下記錄的線性伏安曲線。(e)在1 m LiTFSI,21 m LiTFSI和1 m LiTFSI-0.5水性電解質(zhì)中以10 mV s-1記錄的線性伏安曲線。
作者首選闡述了水系電解液在電極表面析氫的過(guò)程(圖1a)和DMSO與水之間形成氫鍵的兩種形式(圖1b)同時(shí)發(fā)現(xiàn)DMSO和H2O混合會(huì)出現(xiàn)明顯的放熱現(xiàn)象,通過(guò)紅外成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)放熱溫度>40℃(圖1c),經(jīng)探究DMSO和H2O兩者混合并無(wú)新物質(zhì)生成,所以放出的熱量由于DMSO和H2O之間氫鍵的形成引起的,且有相關(guān)研究表明DMSO和H2O在形成氫鍵時(shí)會(huì)釋放熱量。緊接著測(cè)試2m NaClO4在不同DMSO添加量下的析氫電位,測(cè)試結(jié)果表明析氫電位明顯得到降低(圖1d)。為了驗(yàn)證該策略具有譜適性,作者將DMSO添加到不同的鹽(Li+、Na+、K+、Zn2+)和鹽濃度下,析氫電位均得到明顯抑制。
圖2.電解質(zhì)結(jié)構(gòu),包括氫鍵和Na+溶劑化結(jié)構(gòu)。
得益于析氫電位的降低,2m-0.5電解液體系可以使在常規(guī)電解液(2m NaClO4)無(wú)法進(jìn)行的反應(yīng)(NVP的V2+/V3+)可以很好地進(jìn)行。
圖3電化學(xué)性能。
作者證明了操縱水分子間氫鍵是抑制水系電解液中HER有效且通用的策略。DMSO作氫鍵受體,它可以與溶劑化鞘內(nèi)外的水分子相互作用,使電解液中不存在自由的水分子。同時(shí),DMSO可通過(guò)DMSO-H2O分子間氫鍵網(wǎng)絡(luò)束縛H2O中的H,從而降低水活度進(jìn)而抑制HER。該研究從熱力學(xué)的角度為抑制水系電解液的HER提供了新的見(jiàn)解。
Qingshun Nian, Xiaoren Zhang, Yazhi Feng, Shuang Liu, Tianjiang Sun, Shibing Zheng, Xiaodi Ren*, Zhanliang Tao*, Donghui Zhang, and Jun Chen, Designing Electrolyte Structure to Suppress Hydrogen Evolution Reaction in Aqueous Batteries, ACS Energy Lett. 2021, DOI:10.1021/acsenergylett.1c00833https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c00833
原標(biāo)題:任曉迪教授&陳軍院士團(tuán)隊(duì):電解液結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)抑制水系電池析氫