吴宇恩/林森/张钰Device：无电解质电化学制氧机实现家用无菌医用级氧气 | Cell Press对话科学家
物质科学
Physical science
2024年4月16日，中国科学技术大学应用化学系吴宇恩教授、张钰副研究员，与福州大学林森教授合作在Cell Press细胞出版社期刊Device上发表了一篇题为“Electrolyte-free electrochemical oxygen generator for providing sterile and medical-grade oxygen in household applications”的最新成果。他们开发了一种便于携带的家用电化学氧气发生器原型机，可原位、快速地产生无菌医用级氧气。
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研究亮点
利用OER-ORR偶联反应，开发了一种便于携带的家用电化学氧气发生器原型机。
通过开发高性能的OER催化剂以及设计更精致的电堆结构，让该电化学氧气发生器的产氧速率在无需其他电解质的情况下，能够达到可实际应用的速率。
与传统的PSA制氧机相比，该电化学氧气发生器能够原位、快速地产生无菌医用级氧气。
研究简介
在COVID-19大流行期间，医用氧气的严重短缺导致了许多本可治愈的患者死亡率不幸上升。COVID-19的持续流行以及再感染的风险增加了心肺疾病患者的潜在死亡风险。因此，这些患者迫切需要立即获得医用级氧气（≥99.5%），这需要一些家庭配备安全可靠的氧气发生器。
目前，医用氧气主要通过低温精馏技术生产，并储存在钢瓶中以便运输（图1A）。然而，钢瓶的大体积和重量增加了运输的复杂性，并在储存时存在潜在的爆炸风险。虽然Pressure Swing Adsorption（PSA）技术能够通过多个吸附和解吸附循环产生氧气（图1B），但由于物理空气分离方法的限制，PSA氧气发生器需要一定的启动时间来提高氧气纯度，且其生成的氧气纯度（93%±3%）无法满足医用氧气（≥99.5%）的标准。
为了在家庭环境中更安全、便捷地获得氧气，作者利用ORR和OER的偶联，开发了一种基于电化学反应的氧气发生器（Electrochemical Oxygen Generator, EOG）（图1C）。该原型机是基于质子交换膜（PEM）开发的，运行过程中仅使用纯水，避免了与电解质添加或泄漏相关的潜在危险，其中发生的反应为：
阳极：4H+ + O2 + 4e- → 2H2O
阴极：2H2O - 4e- → 4H+ + O2
在之前的研究中，阳极OER的高反应势垒和使用的昂贵催化剂共同限制了EOG的发展。因此，作者开发了一种PtxIryRu1-x-yO2三元氧化物OER催化剂（图2A,2B,2C），以支持EOG中反应的顺利进行。在0.5M H2SO4中，该催化剂在10 mA·cm-2的电流密度下的过电势为232 mV，并且在1.53V vs. RHE的电压下，贵金属质量活性达到1530 mA·mg-1，是商业IrO2和RuO2的37倍和42倍，表现出了优秀的OER活性。
为了进一步优化EOG，作者引入了气体扩散电极（GDE）以促进反应过程中的电子传导和气体扩散，并采用间隙最小的三明治状MEA结构来构建单电池和堆叠，以减少欧姆极化。改进的CCM技术用于制备MEA，确保催化剂与PEM的紧密接触，从而显著降低催化剂层和PEM之间的传质阻力。
基于上述优化策略，作者组装了EOG单电池（图3A，3B）。在1.2V电压下，该EOG单电池展现出超过600mA·cm-2的电流密度，氧气产生速率达到2.88mL·min-1·cm-2，氧气纯度超过99.9%，达到医用氧气标准。
为了提升EOG的性能至可实用水平，作者组装了一个包含五片MEA的电堆，每片MEA的工作面积为49 cm²（图4A）。该EOG原型机的氧气生成速率与增加的电流呈线性关系，最大氧气生成速率为1000 mL·min-1（图4B）。该原型机在25 A电流下连续运行600小时，氧气产生速率几乎没有衰减，表明了该EOG原型机具备实际家庭使用的潜力。
随后，作者将EOG与商业PSA氧气发生器的性能进行了比较。EOG能够产生超过99.9%纯度的氧气，并且其工作噪音水平仅在39至45 dB，而PSA设备产生的氧气纯度仅为93%，且伴随75至100 dB的高噪音。同时，PSA设备的质量和体积较大（约15.6 kg，12 dm³），而EOG原型机的质量和体积仅为1.85 kg和1 dm³，并具备近乎瞬时的氧气产生能力，极大提升了其便携性和应用灵活性，适用于需要快速响应的医疗紧急情况，如救护车、现场急救和救灾等场合。此外，EOG即使在大量细菌环境中也能产生无菌医用氧气（图5G），这一特性为患者的安全和感染预防提供了关键保障。
在这项研究中，作者开发了一种适合家庭使用的高性能EOG原型机。通过在催化剂设计和设备结构的改进，EOG原型机的性能达到了实用水平，具备直接产生无菌医用氧气、近乎即时氧气产生、高便携性和低噪声操作的特点。这种EOG原型机具备为家庭提供高效、安全、快速、便捷的氧气供应的潜力，有望在氧气生产行业引领颠覆性技术创新。
图1 三种氧气制备技术的示意图。（A）低温蒸馏技术（空气分离技术）。（B）PSA技术。（C）电化学制氧技术。
图2 PtxIryRu1-x-yO2的结构表征和OER性能。（A）PtxIryRu1-x-yO2的TEM图像。（B）PtxIryRu1-x-yO2的HRTEM图像和Pt、Ir、Ru和O在PtxIryRu1-x-yO2催化剂上的EDS图谱。（C和D）PtxIryRu1-x-yO2的AC-HAADF-STEM图像。（E）PtxIryRu1-x-yO2的模拟AC-HAADF-STEM图像。（F）PtxIryRu1-x-yO2的XRD图谱。（G）IrO2, RuO2, PtO2, IrxRu1-xO2, PtxIr1-xO2, PtxRu1-xO2以及PtxIryRu1-x-yO2 在0.5M H2SO4 溶液中的linear sweep voltammetry（LSV）曲线。
图3 EOG单电池的结构与性能。（A）EOG单电池部件组成图。（B）EOG单电池工作原理图。（C）EOG单电池在不同电压下的电流密度和氧气产生速率。（D）单电池在1.2V下的稳定性测试。
图4 EOG原型机的结构和性能。（A）包括5个单元的EOG原型机结构示意图。（B）工作面积为245 cm2的EOG原型机的I-V曲线和氧气产生速率。（C）EOG原型机的稳定性测试。（D）EOG原型机与先前报道的EOG的性能比较。
图5 EOG原型机的结构和性能。（A和B）（A）EOG和（B）PSA装置工作状态下的比较。（C） EOG和PSA装置尺寸的直接比较。（D）EOG和PSA装置的氧气传感器读数和氧气纯度随时间的曲线（通过GC分析）。（E、F和G）通过PSA氧气发生器和EOG各自的气泵入口将含有雾化大肠杆菌培养溶液的空气引入到它们中。然后，将所得气体喷到三个不同的培养基上30秒：（E）直接含有雾化大肠杆菌培养液的空气，（F）由PSA产生的氧气和（G）由EOG产生的氧气。将上述所有培养样品在25°C下培养48小时，培养基分别显示（E）多个菌落，（F）2个菌落，和（G）无菌落。（H）EOG原型机和PSA设备之间的用户体验比较。
作者专访
Cell Press细胞出版社公众号特别邀请吴宇恩教授代表研究团队接受了专访，为大家进一步详细解读。
CellPress：
开发安全便携的氧气发生器对于潜在心肺疾病的预防和治疗至关重要。请问吴教授，当前医用级氧气的获取途径都有哪些？又各自存在着哪些需要解决的技术问题？
吴宇恩教授：
目前，医用氧气通常通过传统的低温精馏技术进行生产，并将生产的氧气储存钢瓶中以便于运输。钢瓶的庞大体积和沉重重量使其不适合家庭使用。虽然PSA技术可以通过多次吸附和解吸附循环来产生氧气，但由于物理分离方法的局限性，PSA设备生成的氧气通常无法达到医用级纯度标准。此外，PSA设备需要较长的启动时间才能产生高纯氧，在需要紧急救治的危机情况下具有明显的弊端。
CellPress：
您和您的团队在这项工作中提出了一种更为高效稳定的家用医用级电化学氧气发生器，彰显了其在未来家庭和紧急医疗应用中的巨大潜力。那么请问吴教授，您为何选取电化学手段制氧？相比于其他制氧途径有何优势？
吴宇恩教授：
电化学制氧的主要优势在于生成的氧气更纯，响应速度更快，同时设备体积和重量更小，适合家庭使用。我们采用了OER-ORR偶联的电化学方法来制备氧气，该方法的阴极和阳极的反应都是非常安全的，不会产生任何危险物质。与传统的低温精馏技术相比，电化学氧气发生器（EOG）能够在家庭环境中直接使用，方便患者在家中获取医用氧气。此外，与PSA设备相比，EOG不仅便于携带，而且响应速度更快，产生的氧气纯度更高（达到医用级氧气标准），在紧急情况和日常应用中都有显著优势。
CellPress：
最后，请与我们分享下您选择Device的理由。
吴宇恩教授：
Device是Cell Press细胞出版社的旗舰期刊之一，其内容专注于前沿设备及其应用导向的研究。该期刊有着高质量的出版标准，常常刊登一些具有创新性和影响力的研究成果。我们选择向Device投稿，是因为我们的研究与该期刊的内容范围和科研定位高度契合。此外，Device的高出版标准，可以帮助我们的工作获得更广泛的关注和认可。
作者介绍
吴宇恩
教授
吴宇恩，中国科学技术大学应用化学系教授，中国科学技术大学第一附属医院兼职教授，教育部长江特聘教授。近些年来专注于单原子、团簇催化剂的理性设计及其工业化应用探索。2015年获基金委优秀青年基金资助，2017年获国家重点研发计划纳米专项青年项目资助并任首席，2018年获得中国化学会纳米化学新锐奖，2019年获得中国化学会青年化学奖，2020年获得霍英东青年教师奖，2023年获光谷成果转化奖。近年来，以通讯作者在国际主流期刊发表学术论文150余篇，包括Nat. Catal. 3篇，Nat. Commun. 8篇、J. Am. Chem. Soc. 13篇、Angew. Chem. Int. Ed. 14篇，Adv. Mater 7篇，PNAS 2篇，Joule 1篇，Chem 2篇，Energy. Environ. Sci. 2篇等，论文总引用2.3万余次，h-index 71。2020-2023年入选科睿唯安高被引科学家。目前担任期刊Industrial Chemistry & Materials 编委，Science China Materials编委，Small Methods 客座编辑（单原子催化专刊），无机化学学报青年编委。Chemical Research in Chinese Universities 青年编委，内燃机协会燃料电池分会委员以及中国化学会CO2分会委员，中国化学会纳米酶分会委员。
林森
教授
林森，福州大学教授，能源与环境光催化国家重点实验室团队基础理论课题组长。2021年入选福建省“雏鹰计划”青年拔尖人才。从事多相催化理论研究，利用神经网络构建势能面来理解催化活性物种的动态演变；揭示了外壳层物种对催化活性中心的重要影响；提出了“单原子助催化剂”理论新模型。共发表论文140余篇，其中第一作者/通讯作者在Nat Catal、J Am Chem Soc、Sci Adv、Angew Chem Int Ed、JACS Au、Chem Sci、ACS Catal、J Catal、J Phys Chem Lett等重要期刊发表论文近100篇，参与编著英文著作3部，所有论文被他引8000余次。连续主持国家自然科学基金面上项目3项，青年项目1项，福建省自然科学基金重点项目1项。
张钰
副研究员
张钰，中国科学技术大学副研究员。2020年4月获得日本京都大学博士学位，2020年7月加入中国科学技术大学吴宇恩教授课题组从事博士后研究工作。2022年12月起任中国科学技术大学副研究员。近年来的研究方向主要为电化学反应器的结构设计及深度的应用开发。以第一作者和通讯作者(含共同)在Advanced Energy Materials, Device, Chemical Science, Chemistry of materials等期刊上发表论文10篇。
相关论文信息
论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Device，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
▌论文标题：
Electrolyte-free electrochemical oxygen generator for providing sterile and medical-grade oxygen in household applications
▌论文网址：
https://www.cell.com/device/fulltext/S2666-9986(24)00167-4
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100360
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