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文摘
2024-11-09 18:10
四川
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水电解是最有前景的绿色氢气技术，利用可再生电力生产氢气燃料，且无碳排放。当前的低温水电解设备，包括碱性电解槽和质子交换膜（PEM）电解槽，依赖于高纯度水源；然而，当这些设备大规模商业化时，这将导致严重的淡水资源短缺问题。直接海水分解可能是解决这一问题的理想方案，因为海洋占地球水资源的96.5%。然而，天然海水的复杂成分对该技术的效率和耐久性提出了多重挑战，包括（i）电极表面附近剧烈的pH波动，(ii) 由于不溶性沉淀物形成而导致的阴极物理阻塞，以及 (iii) 在阳极上氧气演化反应（OER）与氯化物电氧化反应之间的竞争性反应。近年来，大部分研究集中在避免阳极上不必要的氯氧化反应，并取得了重要进展。相比之下，对阴极盐沉积问题造成的活性位点阻塞和腐蚀的关注较少。尽管天然海水的pH值大约中性（约7.5–8.4），但在电解过程中，阴极附近的局部pH显著增加，导致海水阳离子（主要是Mg²⁺和Ca²⁺）以氢氧化物的形式沉淀。与外部预脱盐和净化过程耦合的间接海水电解可以去除主要的海水离子，但该方法需要额外的能量输入，从而降低了成本效益。将化学添加剂（如氢氧化钾，KOH）引入海水中可以使这些阳离子通过氢氧化物形成沉淀，然后在电解之前过滤掉。然而，这大大复杂化了电解过程，并增加了成本问题。最近开发的膜基海水电解槽通过原位自驱动水净化设计实现了100%的离子阻隔效率。尽管该方法无副反应、无腐蚀，但需要2.25 V才能达到0.4 A cm⁻²的电流密度。这一性能与使用碱化海水的电解槽相当，后者达到0.4 A cm⁻²至0.7 A cm⁻²（23–80 °C）时的电压超过2 V，而仍低于PEM淡水电解槽在1.55
V至2.1 V（80 °C）下能达到1 A cm⁻²的水平。此外，与碱性水相比，在中性海水环境中，阳极OER和阴极氢气演化反应（HER）的动力学变得迟缓，这需要更大的过电位以达到所需的电流密度，从而降低了整体电解效率。在此，中科大高敏锐以及合肥工业大学郑亚荣携手采用了一种通过简单快速的氮等离子体辐照法合成的氮化钼（Mo₂N）催化剂，来应对这些挑战。在天然海水电解过程中，我们发现铵（NH₄⁺）阳离子在催化剂表面原位生成，这些阳离子能够与来自界面水分解的氢氧根（OH⁻）形成氢键，从而防止氢氧化物的形成。同时，这些NH₄⁺组分也显著改善了电双层（EDL）中氢键网络的连接性，降低了氢转移障碍，并增强了HER的能量学。因此，该催化剂作为海水电解槽的阴极，展现出更高的活性和长期稳定性。👉 点击左下角“阅读原文”，即可直达原文！💖
