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突破常识的新发现:纳米间距电极,纯水也能电解!
罗纳尔多 2017-07-22
导语

一项突破常识的却发现:当使用纳米间距电极电解水时,即使是纯水也可以有效的电解!


编者按:本文来源微信公众号"纳米人",e科网经授权转载。

在中学的化学课本中我们便学习到,纯水的电导率太低,因此纯水电解非常困难。要想实现电解水,往往需要在水中添加氢氧化钠、硫酸等电解质来提高导电性。

厉害的是,南加州大学Wei Wu教授课题组取得了一项突破常识的新发现:当使用纳米间距电极电解水时,即使是纯水也可以有效的电解!

图1. 纯水电解原理示意图

研究表明,电极间距对电化学反应有本质的影响,而这往往是其他研究所忽略的。

当电极间距小于溶液的德拜长度时,正负极的双电子层会交叠在一起。不同于宏观电极时体溶液无电场的情况,纳米间距电极下,整个正负极之间全部是强电场。

图2. 器件及原理示意图,以及电化学反应随电极间距变化的相图

该强电场显著增强了溶液中的离子漂移速度,并进一步促进了水分子的自偶电离(也即,纯水的等效电导率被显著提高!但这有别于传统的击穿效应),使得整个电化学反应受控于电子转移步骤。

因此,整个电解水的反应可以被大大加速;更重要的是,即使是纯水也可以实现有效电解!

图3. 类三明治器件的工艺流程

研究人员采用三明治结构实现了纳米间距电极。工艺过程中采用低电压刻蚀技术 (小于20 V),有效提高了器件的良率。

其最小可控电极间距已经达到了37 nm,远远小于纯水的德拜长度(空气中约为220 nm)。测试结果显示,相同条件下,纯水的电解电流密度竟比1 mol/L的NaOH溶液的电流密度还要大!这充分说明纯水的电解反应要远快于添加了强电解质的电解水反应。

图4. 纯水电解测试结果,证实了电子转移步骤为控制步骤

图5. 纯水及氢氧化钠溶液测试结果对比

研究人员不仅实现了纯水的有效电解,更提出了电极间距对电化学反应的本质影响,为纳米电化学的研究开辟了全新的思路,并有望应用于醇类电解、快速充电、燃料电池等诸多领域!

文章链接:

Yifei Wang, Wei Wu et al, "Field-Assisted Splitting of Pure Water Based on Deep-Sub-Debye-Length Nanogap Electrochemical Cells," ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b04038

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  • 水电解
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作者 罗纳尔多

学生

北京理工大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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