传统的电解工业（电解水、氯碱工业）阴、阳极会同时产生两种气体，一般采用离子交换膜和控制电解槽的电压，防止两种气体混合。成本较高，同时也很难利用风能、太阳能等可再生能源转化的电能（不稳定、间歇的特点）。针对上述问题，iChEM研究人员、复旦大学的夏永姚、王永刚教授研究团队报道了采用镍氢电池的Ni(OH)2为氧化还原中间体，成功实现了碱性体系中的无膜分步电解制氢过程 (Nat. Commun.2016,7,11741, DOI: 10.1038/ncomms11741)。近期，该课题组又采用钠离子电池电极作为氧化还原中间体，成功实现了无膜分步法氯碱工艺。氯碱工业是一个高能耗的复杂电解过程，传统的氯碱过程（即电解食盐水）是由两个在阴阳极上同时进行的半反应组成：阴极上的产氢/NaOH过程和阳极上的产氯反应。目前主流的氯碱工艺是采用离子膜法，虽然离子膜有利于产品的分离，但是其价格昂贵且使用寿命有限。此外，电解池中的高压气体也会加剧膜的老化降解，由于阳极和阴极室的气体压力必须通过稳定的电源输入保持平衡，因此很难利用风能和太阳能等不稳定的可持续能源来直接为离子膜电解池供电。该研究团队利用钠离子电池正极材料Na0.44MnO2的可逆储钠过程，成功实现无膜分步法氯碱电解过程：第一步中在NaOH溶液中进行，阴极上发生水的氧化产生氢气，同时放出氢氧根，同时Na0.44MnO2电极材料充电脱出钠离子。第一步之后将充电态的钠锰氧电极(Na0.44-xMnO2)转入饱和氯化钠溶液中进行第二步反应, 此时阳极上氯离子氧化放出氯气，同时充电态的Na0.44-xMnO2电极材料放电嵌入钠离子，转化为Na0.44MnO2。上述两个步骤可以循环交替进行。Na0.44MnO2是一种环保型电池电极材料，而且作为一种低成本的典型Na+存储电极材料，可以很容易地使用常规的固态法大规模生产，因此这一技术与传统的氯碱电解工艺相比更为清洁，且有望实现低成本化。同时利用电池材料作为电极反应的电荷传递中介，实现分步电解，有望成为电化学研究领域的一个新方向。研究结果 (A clean and membrane-free chlor-alkali process with decoupled Cl2 and H2/NaOH production) 近期在Nature Communications 在线发表。(Nat. Commun. 2018, 9, 438, DOI: 10.1038/s41467-018-02877-x)。论文的第一作者为复旦大学博士后侯孟炎。
以上研究得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划和教育部能源材料化学协同创新中心 (2011•iChEM) 的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-02877-x
