绿氢生产突破！调整催化剂局部反应环境实现工业级“海洋绿氢”

文章来源：能源学人、高分子科学前沿、全球氢能

电解水生产绿色氢燃料对可再生能源的未来至关重要。目前，成熟的水电解技术都采用高纯度水作为原料。使用大量的高纯度水来生产氢气可能会加剧淡水资源的短缺。相比之下，海水占地球水储量的96.5%，这几乎是一种无限的资源和天然的电解质原料。

然而，由于天然海水的复杂性，直接电解海水仍处于起步阶段。其主要难点在于在接近中性的条件下，电解系统的效率低和稳定性差，并且海水中存在高浓度的有害氯离子和其他阳离子（Mg²⁺和Ca²⁺），在实际操作中会引发有害的氯气氧化/腐蚀，还会产生大量不溶性沉淀物（例如MgOH）的形成，这些沉淀物会物理性地堵塞阴极。

基于此，天津大学凌涛教授联合澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授通过在催化剂表面引入坚硬的路易斯酸层来分裂水分子并捕捉催化剂周围大量的原位生成的羟基阴离子（OH^-）而实现直接电解海水。研究团队声称在电解槽中的催化剂上覆盖一层简单、廉价的酸性涂层，可以使其以“几乎100%的效率”分解海水，而无需除过滤外的任何预处理步骤。

相关研究成果已于近期以“Direct seawater electrolysis by adjusting the local reaction environment of a catalyst”为题发表在了《Nature Energy》杂志上。

DOI：10.1038/s41560-023-01195-x. 点击文末“阅读原文”可直接跳转

研究团队表示，一个典型的电解器催化剂可能是由氧化钴制成的，其表面有氧化铬。海水电解通常会因氯离子的严重侵蚀性破坏这些催化剂，或者不溶的镁和钙沉淀物将其污染，这些沉淀物会堆积并堵塞电极。　　

与天然海水（pH=7.9）相比，CoOx在碱化海水（pH=14）中的活性和稳定性明显增强，局部碱化反应环境有利于天然海水分裂，以克服碱化和天然海水电解之间的活性差异。遵循经典的硬酸碱和软酸碱理论，即硬酸优先结合到硬碱上，团队通过在催化剂表面引入路易斯酸层来分裂水分子并捕捉催化剂周围大量的原位生成的羟基阴离子（OH^-），人为地创造碱化微环境，从而实现直接电解海水。由于这种原位生成的局部碱度的存在，催化剂表面的氯化学反应被优先富集的OH^-有效抑制，以 "抵制 "进入催化剂表面的Cl^-。此外，因OH^-和路易斯酸层之间的强结合从而明显减少了海水电解质中Mg²⁺和Ca²⁺阳离子对OH^-的捕获，从而避免了沉淀。　

天然海水中阴极活性以及避免在Cr₂O₃-CoOx上形成沉淀

研究团队设计的这个通用的策略，可以应用于不同的催化剂，而不需要专门设计的催化剂和电解器设计。通过这种在一系列Cr₂O₃改性的催化剂上原位生成的局部碱性环境，实现了活性的大幅提升，同时避免了有害的氯气化学反应和沉淀物的形成。带有Cr₂O₃改性催化剂的流动式海水电解器具有良好的稳定性和高电流密度。也因此，采用Lewis酸层改性阳极和阴极的流动式海水电解槽，其性能与使用商业化RuO2和Pt/C分别作为高纯水中的阳极和阴极催化剂的PEM电解槽相当。这一策略将有助于未来的直接海水电解和其他在中性环境下工作的反应的研究。

研究人员表示，“我们已经将天然海水以接近100%的效率分解成氧气和氢气，其步骤为在商业电解槽中使用一种不昂贵且廉价的催化剂，通过电解生产绿色氢气。”

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编辑：戴戴

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