有意思，純水也能電解！

在中學的化學課本中我們便學習到，純水的電導率太低，因此純水電解非常困難。要想實現電解水，往往需要在水中添加氫氧化鈉、硫酸等電解質來提高導電性。

厲害的是，南加州大學Wei Wu教授課題組熬到了一項突破常識的卻發現：當使用納米間距電極電解水時，即使是純水也可以有效的電解！

圖1.純水電解原理示意圖

研究表明，電極間距對電化學反應有本質的影響，而這往往是其他研究所忽略的。

當電極間距小於溶液的德拜長度時，正負極的雙電子層會交疊在一起。不同於宏觀電極時體溶液無電場的情況，納米間距電極下，整個正負極之間全部是強電場。

圖2.器件及原理示意圖，以及電化學反應隨電極間距變化的相圖

該強電場顯著增強了溶液中的離子漂移速度，並進一步促進了水分子的自偶電離（也即，純水的等效電導率被顯著提高！但這有別於傳統的擊穿效應），使得整個電化學反應受控於電子轉移步驟。

因此，整個電解水的反應可以被大大加速；更重要的是，即使是純水也可以實現有效電解！

圖3.類三明治器件的工藝流程

研究人員採用三明治結構實現了納米間距電極。工藝過程中採用低電壓刻蝕技術 （小於20V），有效提高了器件的良率。

其最小可控電極間距已經達到了37 nm，遠遠小於純水的德拜長度（空氣中約為220 nm）。測試結果顯示，相同條件下，純水的電解電流密度竟比1 mol/L的NaOH溶液的電流密度還要大！這充分說明純水的電解反應要遠快於添加了強電解質的電解水反應。

圖4.純水電解測試結果，證實了電子轉移步驟為控制步驟

圖5.純水及氫氧化鈉溶液測試結果對比

研究人員不僅實現了純水的有效電解，更提出了電極間距對電化學反應的本質影響，為納米電化學的研究開闢了全新的思路，並有望應用於醇類電解、快速充電、燃料電池等諸多領域！

Yifei Wang, Wei Wu etal. Field-Assisted Splitting of Pure Water Based on Deep-Sub-Debye-LengthNanogap Electrochemical Cells. ACS Nano, 2017.

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b04038

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！