自清洁Pt碳阴极析氢与氢氧化镁沉淀 碱性天然海水的电还原
电子科大 孙旭平 2024 chem
DOI：10.1016/j.chempr.2024.05.018
研究背景 文章探讨了直接使用自然海水进行电化学还原以产生氢气的挑战，特别是催化剂表面的镁/钙沉积问题。传统方法通过碱化海水来抑制阳极的氯化物氧化，但忽视了阴极的镁/钙沉淀。
研究方法 研究采用了三种策略来减轻沉淀：
使用“质子海绵”（1,8-二甲基胺萘）改变阴极环境，排斥镁/钙离子。
应用外部流体去除沉淀物，打破局部pH梯度。
设计自清洁3D Pt/C催化剂，利用气体/液体流动去除沉淀物。
研究思路 研究首先识别了自然海水电解的问题，然后提出了新的解决方案，即自清洁催化剂和改进的电解管理策略。通过实验验证了3D Pt/C阴极在海水电解中的稳定性和高效性。
主要内容 研究主要集中在开发自清洁3D Pt/C阴极，该阴极在自然海水中能够稳定工作并同时生成氢气和镁氢氧化物纳米片，同时有效地防止镁/钙沉积。
研究结论 这项工作成功展示了自清洁3D Pt/C阴极的持久性和高产率，并提出了一种抑制沉淀并持续生成H2和镁氢氧化物的新方法。然而，仍需要进一步研究来优化电解器设计以提高沉淀管理的效率。
创新点
开发了自清洁3D Pt/C催化剂，有效解决了镁/钙沉积问题。
提出了“质子海绵”和外部流体管理策略，改善了电解过程的稳定性。
研究局限 虽然提出了有效的解决方案，但文章指出需要进一步研究优化电解器设计，以实现更高效的沉淀管理。
研究展望 未来的研究可能聚焦于优化电解过程，降低成本，并评估这种方法在大规模应用中的经济性和环境可持续性。
可能感兴趣的问题
1. 自清洁Pt/碳电极的组成，为什么能够起到自清洁抵抗沉淀的作用？
自清洁Pt/碳电极（Pt/CW-1000）主要由 Pt 纳米颗粒组成，这些颗粒在电催化过程中起着关键作用。该电极具有高 Pt 晶格完整性和独特的3D微通道结构。这些有序的三维微通道为气泡、流体和沉淀物提供了快速运输的路径，从而有助于防止它们在电极表面积累。当有大量沉淀物产生时，可以通过简单的超纯水冲洗或短暂的酸洗去除。由于其结构的周期性，气泡和液体可以更有效地携带并清除微小的沉淀物，而不会被非周期性的孔隙和曲折通道阻塞。此外，Pt/CW-1000 在高电流密度下表现出较小的析氢开始电位（Eonset），这进一步增强了其自清洁能力。通过维持电解过程的稳定性，即使在长时间运行后，也能保持良好的电催化性能，从而减少沉淀物对电极性能的影响。
2. 如何在不碱化的情况下，减少海水电解中的镁/钙沉积？
在不碱化的情况下减少海水电解中的镁/钙沉积，可以探索以下策略：
改变表面微环境：通过将商业Pt/C与1,8-二甲基胺萘（DMAN）混合，利用DMAN可能作为质子海绵的作用，排斥Mg2+/Ca2+。这有助于防止这些离子在电极表面的吸附和沉淀（策略1）。
引入外部流体流动：直接使用外部流体流动来推离沉积物（策略2）。例如，通过电解液的流动不断扰动局部pH梯度，并清除电极附近的小型沉积物。
然而，文件中提到，即使使用DMAN，长期的自然海水还原测试后，电极表面仍然会发生严重的沉淀。因此，需要进一步研究和开发更有效的抗沉积策略。
3. 自然海水电解的经济性和可持续性与碱性海水电解相比较如何？
自然海水电解相较于碱性海水电解在经济性和可持续性方面具有一定的优势。碱性海水电解需要添加碱性物质，如KOH，这会带来额外的成本（Note S3），而且碱性环境会加剧电解设备的腐蚀。相比之下，自然海水的碱度较低，因此使用自然海水进行电解可以减少操作成本。此外，从自然海水中回收的镁基材料能够进一步降低运营成本。文件中提到，通过电催化开发可持续的系统来连续回收镁资源（以及钙资源）是一种有前景的方法，可以有效利用低品位海水中的有价值材料。提出的简化H2-纳米Mg(OH)2共合成过程旨在聚焦于现场和可持续的镁资源回收，以及自然海水电解路径的巨大潜力。
4. 自清洁电极技术如何影响电解效率和成本？
自清洁电极技术对电解效率和成本有显著影响。通过提高电解效率，这些技术可以减少在电解过程中产生的沉淀物积累，从而保持电极表面的清洁。例如，碳布（CW）电极在自然海水还原过程中表现出较少的沉淀物附着，这归因于其表面特性，如亲水性、摩擦力以及可能影响沉淀物粘附的其他因素。这种减少的沉淀物覆盖使得电解过程更加高效，因为电极活性位点不会被遮挡，促进反应进行。
在成本方面，自清洁能力可以降低长期运行时的维护和更换电极的需求。例如，Pt/CW电极在大规模实验中显示出至少50小时的稳定自然海水还原电解性能，表明它们具有良好的耐用性。这减少了由于电极性能下降或需要频繁清洗或替换而产生的额外成本。此外，某些沉淀物，如钙盐，可以通过分离回收来抵消分离步骤的成本，进一步降低了处理成本。
总的来说，自清洁电极技术通过提高电解效率并降低维护成本，为从低浓度海水中持续回收有价值材料（如镁和钙资源）提供了可持续和经济有效的途径。
5. 该方法对整个氢能源产业的潜在影响是什么？
该方法通过利用自然海水进行电解制氢，同时现场合成了纳米级氢氧化镁，为氢能源产业带来了潜在的显著影响。首先，它提供了一种可持续的策略，可以在沿海甚至海上广泛部署基于氢和镁资源的行业，这依赖于可再生能源且无需添加额外的化学物质如缓冲剂或碱。其次，这种方法比传统的氢氧化镁热解或化学合成更环保。此外，通过优化电极设计（例如使用自清洁的铂/碳催化剂），实现了长时间高效率的反应，提高了电解过程的性能和稳定性。这种方法有助于解决自然海水电解中的关键挑战，如表面沉淀问题，从而提高反应效率。最后，它为设计自然海水电解/碱性海水电解系统提供了有价值的见解，推动了整个领域的健康发展。因此，这项工作对于实现全球范围内无碳经济的氢能源应用具有重要意义。
6. 纳米氢氧化镁沉淀在工况下电解槽中如何回收？
文件中提到，纳米氢氧化镁(Mg(OH)2)的沉淀物可以在电解槽底部收集，并在烘箱中干燥后形成Mg(OH)2粉末。然而，关于在工况下如何在电解槽中有效回收这些沉淀物，文件指出目前存在一些未解决的问题。例如，如何在基于膜电极组件(MEA)的电解槽或电解堆中更有效地排放Mg(OH)2沉淀物，即使可以使用特殊设备排放，也需要考虑外部流场或者自清洁电极的细节设计改进，如避免沉淀物积聚的端板蛇形通道设计。研究人员正在对这些可能的解决方案进行研究。
有关电解海水——阴极沉淀问题：解决方案、设计思路，我再单独出一期。
