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Nature子刊：構(gòu)建鈉離子導(dǎo)電不對(duì)稱(chēng)電解槽，實(shí)現(xiàn)低電壓下海水直接電解

水電解是一種高效、可持續(xù)的生產(chǎn)高純H₂的方法，然而目前的水電解槽使用的是高純度去離子水，使得水電解槽的大規(guī)模應(yīng)用受到限制。海水是地球上最重要的自然資源，約占地球總水量的96.5%，電解海水制氫顯示出巨大的潛力。

然而，在海水電解過(guò)程中，陽(yáng)極可能會(huì)發(fā)生析氯反應(yīng)(2Cl^–→Cl₂+2e^–)和次氯酸鹽的形成(Cl^–+ 2OH^–→ClO^–+H₂O+2e^–)，在沒(méi)有緩沖液的中性介質(zhì)中，析氫反應(yīng)(HER)和OER反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢所造成的高能耗，以及其他離子如Ca²⁺和Mg²⁺可能發(fā)生沉淀并阻斷催化活性位點(diǎn)。因此，有必要開(kāi)發(fā)一種具有高效和強(qiáng)大催化劑的電解系統(tǒng)，從而抑制ClOR并實(shí)現(xiàn)低電壓下的直接海水電解。

近日，華中科技大學(xué)李箐和王譚源等首次采用Na⁺交換膜作為隔膜，非晶態(tài)Ni-Fe-P NWs作為催化劑(PtSA-Ni_6.6Fe_0.4P₃和Ni₅Fe₂P₃NWs分別作為陽(yáng)極和陰極)，研制了一種新型pH不對(duì)稱(chēng)的海水直接電解槽，用于高效節(jié)能的海水直接電解。Na⁺交換膜可以防止Cl^?通過(guò)到達(dá)陽(yáng)極，從而避免不必要的ClOR，同時(shí)可以通過(guò)陰極和陽(yáng)極電解質(zhì)之間的化學(xué)電位差以降低制氫成本。

同時(shí)，在多孔泡沫鎳表面上的超親水性PtSA-Ni_6.6Fe_0.4P₃催化劑使得氣泡對(duì)材料的附著力較低，可使電極表面快速釋放氣泡，從而加速了傳質(zhì)過(guò)程。此外，該系統(tǒng)還大大緩解了海水電解過(guò)程中Mg²⁺和Ca²⁺沉淀的形成問(wèn)題。

原位拉曼光譜和密度泛函理論(DFT)計(jì)算顯示，PtSA-Ni_6.6Fe_0.4P₃(能壘從Pt的0.72 eV降低到0.46 eV)促進(jìn)了水分解，從而減少了中性介質(zhì)中HER的電化學(xué)極化。在1.31 V和1.46 V的低電壓下，不對(duì)稱(chēng)電解槽的電流密度分別達(dá)到10 mA cm^?2和100 mA cm^?2；在80 °C和1.66 V低電壓下，電流密度達(dá)到400 mA cm^?2。

更重要的是，在單向流動(dòng)方案中以100 mA cm^?2電流密度運(yùn)行時(shí)，輸出陰極電解質(zhì)的pH值可以維持在約8.5，并且具有穩(wěn)定的電壓響應(yīng)。經(jīng)過(guò)120小時(shí)的水分解試驗(yàn)，該電解槽達(dá)到100 mA cm^?2電流密度所需的電壓稍微增加，證明了該系統(tǒng)的優(yōu)異耐久性。綜上，該項(xiàng)工作為開(kāi)發(fā)低能耗海水直接電解槽系統(tǒng)提供了一種有效設(shè)計(jì)思路。

A Sodium-ion-conducted Asymmetric Electrolyzer to Lower the Operation Voltage for Direct Seawater Electrolysis. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-39681-1

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