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海水电解是实现大规模绿色氢能生产的重要技术。然而，天然海水中溶解的Ca²⁺和Mg²⁺等离子在氢析出反应（HER）过程中因局部pH升高形成沉淀，易导致催化剂失活并堵塞电解槽。因此，如何通过调控电极局部环境抑制沉淀形成，成为天然海水电解中的关键挑战。
成果简介
本研究开发了一种Pt/WO₂催化剂，通过动态生成氢钨青铜（HxWOy）作为质子储库，形成局部酸性环境，从而显著提升HER性能并抑制沉淀的形成。与传统催化剂相比，Pt/WO₂在100 mA cm⁻²的电流密度下可在天然海水中稳定运行超过500小时，展现出优异的催化活性和长期稳定性。
研究亮点
创新机制：首次提出通过动态生成HxWOy相调控局部酸性环境，有效中和OH⁻并抑制沉淀形成。
高效性能：Pt/WO₂在天然海水中表现出低过电位和高法拉第效率，优于传统Pt/C催化剂。
长效稳定性：在100 mA cm⁻²下连续运行超过500小时，电化学性能无明显衰减。
工业潜力：设计了非对称电解槽，可在海水作为阴极电解液的条件下实现高电流密度运行。
配图精析
图1：Pt/WO₂催化剂的结构表征
XRD和HR-TEM证实Pt纳米颗粒均匀分布于WO₂骨架上，XPS显示Pt⁰状态及其与WO₂之间的电子相互作用。
图2：HER电催化性能对比
在天然海水和模拟海水中的LSV曲线显示，Pt/WO₂的催化活性显著优于Pt/C，并能长期稳定运行。
图3：局部pH变化的调控
通过旋转圆盘电极测量发现，Pt/WO₂表面局部pH始终低于9.5，而Pt/C在相同条件下局部pH升至12，导致沉淀形成。
图4：动态生成HxWOy机制
原位Raman光谱揭示了负电位下HxWOy的形成过程，表明WO₂可作为动态质子储库，持续生成和中和OH⁻。
图5：HER反应机理的图示
在Pt/C上，OH⁻聚集导致沉淀形成，而Pt/WO₂通过HxWOy生成H₃O⁺中和OH⁻，从而抑制沉淀。
图6：非对称电解槽性能
电解槽在0.5 A cm⁻²的电流密度下运行100小时无明显性能衰减，展现出工业化应用潜力。
展望
本研究通过调控局部酸性环境，为天然海水电解中HER催化剂的设计提供了新思路。动态生成的HxWOy不仅提升了催化活性，还显著延长了催化剂的使用寿命。未来，该策略可应用于更广泛的海水电解体系，为大规模绿色氢能生产提供理论与技术支持。
文献信息
标题：Dynamic Creation of a Local Acid-like Environment for Hydrogen Evolution Reaction in Natural Seawater
期刊：Journal of the American Chemical Society (JACS)
DOI：10.1021/jacs.4c13036
原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c13036
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