研究背景
随着全球能源需求的日益增长和环境污染问题的日益严峻，开发新型高效的能源转换和环境净化技术变得尤为重要。在众多技术中，双极膜（BPMs）因其独特的电化学特性而受到广泛关注。BPMs能够在电化学装置中通过水解离反应产生酸和碱，实现pH梯度的极端变化，从而为氢气发生反应和氧气发生反应提供适宜的环境。然而，现有的商业BPMs在高电流密度下难以保持高电压效率，且在电化学设备中的集成常常导致整体电池电压显著增加。因此，开发高效的催化剂以降低水解离的过电位，成为了提升BPMs性能的关键。石墨烯氧化物（GO）因其丰富的含氧官能团和优异的电化学稳定性、机械强度、经济性，被认为是BPM中水解离反应的高效催化剂。然而，关于GO中哪些官能团是水解离反应的主要活性位点，目前尚存在争议。
成果简介
在这项研究中，研究人员通过实验定量揭示了GO中羧基官能团含量与BPMs水解离性能之间的相关性。他们制备了羧基化和部分羟基化的GO基BPMs，并通过设计实验，首次定量阐明了羧基含量与水解离性能之间的关系。研究人员还采用了简单的机械球磨方法，提高了GO催化剂中羧基的体积密度，从而在超过130小时的操作中实现了卓越的水解离性能。这一发现为催化剂设计提供了一种精细而简便的策略，以推进BPM技术的发展。
图文导读
图1 本研究的科学问题是通过实验确定GO上的哪种含氧官能团（羧基或羟基）是BPM水解离中的有效催化位点。
图2 商业、羧基化和羟基化GO的特性。(a) 根据XPS调查的元素组成。(b) 根据XPS O 1s光谱的不同含氧官能团的原子比。(c) FTIR光谱。(d) 水接触角。
图3 基于GO的和商业BPMs的水解离性能。(a) 带有Luggin毛细管设计的四电极H型电解槽。(b) 商业、羧基化和羟基化GO基BPMs以及FBM-PK在电流密度高达800 mA cm²时的j−V曲线。(c) 在100 mA cm²时VBPM与不同材料中羧基（−O-CO）含量之间的回归分析。(d) 在100 mA cm²时U100与羟基（C−OH）含量之间的关系。(e) 在100 mA cm²时典型GO基BPMs和FBM-PK的酸生成量。(f) 对应的电流效率。
图4 提高GO上羧基官能团的体积密度以改善BPM水解离。(a) 通过球磨过程增加GO上羧基官能团体积密度的示意图。(b) GOx（x = 0, 4, 和 12）的SEM图像。(c) 根据XPS调查的元素组成。(d) 根据O 1s光谱的含氧官能团的原子比。(e) 电流密度高达800 mA cm²时GOx基BPMs的j−V曲线。(f) 与FBM-PK相比，在100 mA cm²时GO4基BPM的水解离稳定性（V和V0分别表示时间t和0时的VBPM），插图显示了使用后的FBM-PK膜的照片；(g1) 10×10 cm²膜-电极组装（MEA）反应器的照片，(g2) 大尺寸GO4−BPM，和(g3) 电极室的照片。(h) 在环境温度（293 K）下，用纯水喂养的GO4−BPM-MEA和AEM-MEA电解槽的极化曲线。
小结
本研究首次通过实验确定了GO中羧基官能团是BPMs水解离反应的主要活性位点，并建立了跨膜电压与羧基含量之间的定量线性关系。研究人员通过简单的机械球磨方法成功提高了GO催化剂中羧基的体积密度，从而实现了在长期操作中的卓越水解离性能。这一发现不仅为设计和制造高效的基于GO的BPMs提供了关键因素，也为优化具有电子吸引基团的碳基催化剂的动力学提供了新的见解。研究人员期望，通过进一步的研究和优化，高效的GO基BPMs可以广泛应用于气体捕获、CO2电解、电渗析、能量储存和化学合成等多种应用领域，为能源和环境领域的可持续发展做出贡献。
Identifying the Critical Oxygenated Functional Groups on Graphene Oxide for Efficient Water Dissociation in Bipolar Membranes
文献：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c02677
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