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以可再生能源為輸入的電化學鹽水電解，是大規模生產綠色氫的一種非?？扇『涂沙掷m的方法；然而，由于電極側反應和海水復雜組分引起的腐蝕問題，其耐久性不足，嚴重挑戰了其實際可行性。

雖然利用聚陰離子涂層抑制氯離子腐蝕或制造高選擇性電催化劑的催化劑工程，已被廣泛開發并取得了一定的成功，但在實際應用中仍遠遠不能令人滿意。通過使用預脫鹽過程的間接海水分離，可以避免副反應和腐蝕問題，但它需要額外的能源輸入，使其在經濟上不具有吸引力。此外，獨立的體積龐大的海水淡化系統，使海水電解系統在尺寸上缺乏靈活性。

在此，來自深圳大學的謝和平院士&南京工業大學的邵宗平等研究者提出了一種直接海水電解制氫的方法，從根本上解決了副反應和腐蝕問題。相關論文以題為“A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation”于2022年11月30日發表在Nature上。

在此，研究者的策略的關鍵點是：將基于自驅動相變機制的原位水凈化工藝集成到海水電解中，這是通過應用疏水多孔聚四氟乙烯(PTFE)防水透氣膜作為氣路界面，采用濃氫氧化鉀(KOH)溶液作為自阻尼電解質(SDE)實現的(圖1a)。

這樣的設計，允許水蒸氣的偏壓擴散，但完全防止液體海水和雜質離子的滲透。在運行過程中，海水和跨膜SDE之間的水蒸氣壓差，為海水側的自發海水氣化(蒸發)和水蒸氣通過膜內的短氣路擴散到SDE側，并在SDE側被SDE吸收再液化提供了驅動力。

該相變遷移過程，允許從海水源原位生成純凈水用于電解，具有100%的離子阻斷效率，同時在SDE中同時電解所消耗的水成功地維持了界面壓差。因此，當水遷移速率等于電解速率時，海水和SDE之間建立了新的熱力學平衡，實現了水通過“液-氣-液”機制的持續穩定遷移，為電解提供淡水(圖1b)。

圖1 SES的設計

為了驗證該海水電解概念的可行性，研究者首先建立了一個實驗室規模的對稱結構海水電解系統(SES)來研究電化學性能。電催化劑層固定在電極板上，用親水膜片分離兩個電極，防止氫(H₂)和氧(O₂)的混合。SDE儲存架具有提供SDE環境和固定多孔PTFE膜的功能，水遷移發生在底部，生成的氣體在頂部釋放，避免H₂的潛在損失。

此外，聚四氟乙烯膜完全分離SDE和海水。在平均電壓約為1.95 V和2.3 V，電流密度分別為250 mA cm^?2和400 mA cm^?2的情況下，SES穩定運行72小時以上，從海水(中國深圳灣)中產生H₂(圖1c)。隨著電解過程中海水的長期持續消耗，容器內海水水位逐漸下降，說明海水中的水分子向SDE側遷移。

氣相色譜分析表明，在250 mA cm^?2和400 mA cm^?2條件下的相對法拉第效率(RFE)接近100%，沒有氯(Cl₂)的生成(圖1d)。此外，在400 mA cm^?2連續電解72 h后，SDE中檢測到極低濃度的雜質離子，即0.074 mg l^?1 ClO^?、0.082 mg l^?1 SO₄^2?和0.062 mg l^?1 Mg²⁺，僅為海水中相應離子濃度的0.008‰、0.052‰和0.089‰。

這些結果，有力地支持了基于液-氣-液相過渡的水遷移機制的可持續H₂生成，用于海水電解的原位水凈化。計算表明，在電流密度分別為250 mA cm^?2和400 mA cm^?2時，生產H₂的電力費用約為4.6 kWh Nm^?3 H2和5.3 kWh Nm^?3 H₂，這與純水的工業堿性電解相當，因為取消了單獨的脫鹽過程(圖1e)。

研究表明，示范系統在實際應用條件下，以每平方厘米250毫安的電流密度穩定運行超過3200小時，沒有出現故障。該策略以類似淡水裂解的方式實現了高效、尺寸靈活、可擴展的海水直接電解，且運行成本不顯著增加，具有很高的實際應用潛力。重要的是，這種結構和機制有望進一步應用于同時進行的基于-水的污水處理、資源回收和一步制氫。

圖2 連續高效電解的起源

圖3 規?；屯ㄓ眯?/strong>

總之，研究者展示了一種可擴展的、無副作用和無腐蝕的海水直接裂解策略，在單個系統中實現了原位自驅動水凈化和水電解。其關鍵技術是將自透氣防水膜和SDE集成到電解槽中。由于海水和SDE之間水蒸氣壓力的差異，水從海水穿過膜向SDE遷移是通過液-氣-液相變機制自驅動的。

這種獨特的水凈化機制，確保了100%的離子阻隔效率，膜的疏水性使其具有防污能力，微米級的氣體擴散路徑使其具有較高的水遷移速率。通過應用固體吸濕SDE和過電位較低的催化劑，該策略可能適用于未來的能源密集型工業生產，并可用于廢水處理和資源回收與一步制氫結合。預計，這種基于相變的水遷移策略的進一步擴展，將導致從海水或不純水生產先進H₂的實際應用的發展。

作者簡介

謝和平，1956年1月出生，男，湖南雙峰人，能源與力學專家，1982年畢業于中國礦業大學數學與力學系，2001年當選為中國工程院院士。深圳大學特聘教授，深圳大學深地科學與綠色能源研究院院長，四川大學原校長、教授博導。國務院學位委員會委員，中國科學技術協會常委。國家重點研發計劃“深部巖體力學與開采理論”項目負責人。

長期致力于采礦工程、礦山工程力學、綠色能源開發利用及深地科學領域的基礎研究與工程實踐，特別是破斷煤巖體力學研究方面具有突出成果。在我國最早建立了礦山裂隙巖體宏觀損傷力學模型，開拓了礦山裂隙巖體損傷力學研究新領域。1982年起，創造性引入分形方法對裂隙巖體進行非連續變形、強度和斷裂破壞研究，并與損傷力學結合在國際上開創了巖石力學分形研究新領域。近年來，在深地科學探索領域,包括深地固體資源流態化開采、中低溫地熱發電、地下空間開發利用、海水能源化及深地醫學等領域提出了創新性理念與構想，并在綠色能源、低碳技術與CO₂礦化及綜合利用技術領域進行了深入探索，取得了重要進展。

謝和平院士為國家973項目首席科學家（2次），國家自然科學基金委創新研究群體科學家。首屆“中國青年科學家獎(技術科學)”，何梁何利科技進步獎(技術科學獎)，國家自然科學二、三等獎，國家科技進步二、三等獎，均為第一獲獎人。被英國Nottingham大學、德國Clausthal工業大學、香港理工大學授予“榮譽博士”學位，獲牛津大學授予“牛津大學圣艾德蒙Fellow”學術稱號。

文獻信息

Xie, H., Zhao, Z., Liu, T.?et al.?A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation.?Nature?(2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05379-5

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05379-5

https://kjb.szu.edu.cn/info/1013/2211.htm

原創文章，作者：v-suan，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2022/11/30/de51622676/

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