电解水制氢（HER）是获取氢气的有效途径，目前成熟的质子交换膜技术具有高电流密度操作、小设备尺寸、高效率等优点，有望实现酸性电解水的大规模商业化应用。然而，酸性电解水受限于阳极析氧反应（OER）的缓慢动力学过程。如何降低电解制氢能耗和成本，是电解水制氢技术能否普及的关键。考虑到钢铁厂排放的酸性废水中含有大量的Fe³⁺和Fe²⁺，处理成本较高，如何经济有效地处理该酸性废水并将其应用到电解制氢，是环境保护和资源利用领域的关键问题。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所的施剑林院士和崔香枝研究员，创新性提出了一种Fe²⁺/Fe³⁺自循环体系。基于Fe²⁺/Fe³⁺循环，构建了基于Fe³⁺还原反应（Fe³⁺RR）的酸碱锌铁电池和Fe²⁺氧化反应（Fe²⁺OR）-耦合HER的电解槽，并且锌铁电池能够驱动两个串联的Fe²⁺OR‖HER系统，实现自供电高效析氢。同时，基于 Fe²⁺/Fe³⁺ 循环，既可以制备Fe³⁺RR剥离的硅氧烯（SXNS），又可以利用Fe²⁺OR辅助制备Pt 纳米颗粒，并使其均匀分布在SXNS上（Pt-3@SXNS）。

具体的，Fe²⁺/Fe³⁺的循环体现在四个方面，首先，通过Fe²⁺→Fe³⁺的氧化可以还原氯铂酸制备铂纳米颗粒均匀分散的硅氧烯催化剂（Pt-3@SXNS）；第二，利用Fe³⁺→Fe²⁺的还原和锌组建高功率输出的锌铁液流电池；第三，利用Fe²⁺→Fe³⁺的氧化耦合HER，极大降低电解槽压；第四，反应后的阳极液中含有大量Fe³⁺，利用Fe³⁺→Fe²⁺的还原制备硅氧烯纳米片，形成循环。

该Pt-3@SXNS的三功能催化性能体现在，优异的HER、Fe²⁺OR和Fe³⁺RR电催化活性。

研究发现，Pt-3@SXNS中Pt和Si之间的电负性差异，诱导电子从Si转移到Pt，使Pt更偏金属态，促进了正价离子的吸附，增强催化反应。以Pt-3@SXNS为阴极的锌铁电池开路电压高达1.97 V，并显示出稳定的充放电性能（100 h）。

在Pt-3@SXNS的共同催化下，Fe²⁺OR‖HER耦合的电解槽仅需0.830 V即可达到20 mAcm^-2的电流密度。基于 Pt-3@SXNS 催化剂优异的电化学性能，锌铁液流电池能够驱动两个串联的 Fe²⁺OR/HER 电解槽，实现自供电高效制氢。

Fe²⁺OR和Fe³⁺RR均为一电子过程，反应路径简单，使得HER成为该体系的关键反应。原位拉曼和红外光谱验证了氢溢流效应的存在，并证明了水吸附层是氢受体，可以与吸附的氢原子形成氢键（H₃O⁺）。DFT计算结果证明了Pt-3@SXNS优异的HER性能。该工作为电化学储能和低成本电解酸性废水制氢提供了新的思路。