纯水也能电解

据搜狐科技报道：南加州大学Wei Wu教授课题组近期有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

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。

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！

参考文献：

Yifei Wang, Wei Wu et al. Field-Assisted Splitting of Pure Water Based on Deep-Sub-Debye-Length Nanogap Electrochemical Cells. ACS Nano, 2017.

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