在该篇综述中，由北京化工大学邱介山教授和大连理工大学于畅教授领衔的团队本综述重点介绍了通过海水电解生产增值燃料（氢气等）和精细化学品的研究进展，这是迈向可持续能源发展和碳中和的重要步骤。作者们介绍海水电解的原理和相关挑战，总结了燃料和化学品的氧化还原反应机理，回顾了阳极和阴极的操作策略，也包含了抗氯离子和抗杂质的电催化剂／膜的开发与应用。作者们还全面总结了通过海水电解在阴极和阳极生产燃料和化学品（氢气、一氧化碳、硫、氨等）的方法，并提出了其它联合生产精细化学品甚至复杂化学品和电子化学品的潜在策略。欢迎下滑阅读了解详情 ⬇️
Seawater electrolysis for fuels and chemicals production: fundamentals, achievements, and perspectives Lin Chen, Chang Yu*, Junting Dong, Yingnan Han, Hongling Huang, Wenbin Li, Yafang Zhang, Xinyi Tan and Jieshan Qiu*
Chem. Soc. Rev., 2024, 53, 7455-7488请点击文末「阅读原文」链接，或复制以下链接到浏览器中打开原文： https://doi.org/10.1039/D3CS00822C
引言
相较于不可再生且会造成环境污染的化石能源，以可再生能源（如风能、太阳能、地热能等）为动力的水电解技术具有清洁、无污染等优势，是生产清洁燃料和高价值化学品的有效途径。然而，人口的增长和水体的污染已经造成了全球水资源短缺，因此大量使用淡水进行电解的做法可能会令情况雪上加霜。因此，以海水代替淡水进行电解的做法会具有巨大的优势。
首先，丰富的海水资源（占地球上水总量的 96.5%）几乎可以直接作为取之不尽、用之不竭的清洁能源。同时，全球海水分布相对均匀，许多国家都可以充分利用海水资源进行能源开发和贸易。 其次，海水中盐分的占比 为 3.5 wt%，因此海水的电导率 (5 S m⁻¹) 约为淡水的 10⁶ 倍。直接使用海水作为电解质或添加导电电解质的做法可以明显降低电解水的成本。 此外，风能、潮汐能和太阳能等海洋可再生能源可以作为电源直接驱动海水电解。美国能源部风能技术办公室的数据显示，美国所辖海域和五大湖每年发电量可超过 13500 太瓦时。此外，中国国家能源局的数据指出中国每年的风力发电量约为 7000 太瓦时。
综上。海水资源和可再生能源有望共同为海上／陆上发电-精炼平台提供动力，生产出燃料（氢气等）和化学品以满足各类商业、军事和工业等后续用途。
原文图 2. 通过海水电解将天然／廉价、环保的原料或某些工业污染物转化为燃料和增值化学品以满足下游行业要求的实例。
虽然海水电解具有诸多优点，但海水的复杂成分会使电解过程中出现诸多问题。
与纯水电解相比，海水电解中的电催化剂面临着氯离子对活性位点的腐蚀、金属杂质离子和微生物的沉积、氯离子氧化反应 (chloride oxidation reaction, ClOR) 产生的氯化物诱导电极腐蚀等挑战。
尽管存在上述问题，但值得一提的是，包括贵金属、非贵金属、非金属电催化剂在内的耐氯化物和杂质的电催化剂可以在一定程度上实现海水电解的高活性和稳定性。
不过，阳极上的析氧反应 (oxygen evolution reaction, OER) 的四电子转移动力学较慢，阻碍了氢气的快速产出，因此迫切需要发展出能促进氢气生成的新技术或新反应。
另一方面，随着对燃料、精细化学品以及高端的极高纯度电子化学品的需求不断增长，通过电催化的阳极氧化反应 (anodic oxidation reaction, AOR) 将天然有机质／生物质转化为工业污染物并将其转变为高价值精细化学品的方案引起了特别的关注。 例如，生物质、塑料、酒精等都可以通过电氧化反应被转化为增值化学品。此外，H₂S、尿素废水、肼废水、硫酸废水等污染物都可以在阳极上被降解或升级，分别生成硫、对苯二甲酸 (terephthalic acid, PTA) 和二甲酸钾 (KDF) 等增值化学品，同时在阴极处促进了氢气的产生。
原文图 5. (a) 海水电解中，阳极上的阳极氧化反应(AOR)／析氧反应 (OER)／氯离子氧化反应 (ClOR) 与阴极上的析氢反应 (HER)／二氧化碳还原反应 (CO₂RR)／电催化加氢 (ECH)／硝酸盐还原反应 (NO₃RR)／氮还原反应 (NRR) 之间的比较（HMF：5-羟甲基糠醛／5-hydroxymethylfurfural；FDCA：2,5-呋喃二甲酸／2,5-furandicarboxylic acid）。 (b) 传统的海水电解与 (c) 改进的海水电解之间的比较
当使用海水作为电解质时，这种热力学上更有利的阳极氧化反应 (AOR) 还抑制了析氧反应 (OER, 1.23 V vs. SHE）和氯离子氧化反应 (ClOR, 1.36 V vs. SHE) 的发生。 原文图 9. 热力学有利的阳极氧化反应 (AOR) 与缓慢的析氧反应 (OER)示意图，图中小红车代表热力学有利的 AOR，小黄人代表缓慢的 OER，岩石代表热力学壁垒。
此外，由于工业发展和二氧化碳在海水中的高溶解导致大气中二氧化碳浓度不断增加，以及海上原油开采产生的高浓度二氧化碳经常被重新注入海床，因此一种有吸引力的策略是在海水中进行电催化下的二氧化碳还原反应 (carbon dioxide reduction, CO₂RR) 以生产高价值的燃料和化学品。 类似地，电催化加氢 (electrocatalytic hydrogenation, ECH) 和含氮物质还原——如硝酸盐还原反应 (nitrate reduction reaction, NO₃RR) 或氮还原反应 (nitrogen reduction reaction, NRR)——也是潜在的策略，可以合成包括一氧化碳 (CO) 和氯气 (Cl₂) 在内的增值化学品用于生产光气 (COCl₂) 和甲醛 (HCHO)。
原文图 8. 海水电解的阳极和阴极产物及多种应用。
PTA：对苯二甲酸／terephthalic acid；KDF：二甲酸钾／potassium diformate；FDCA：2,5-呋喃二甲酸２2,5-furandicarboxylic acid；FA：呋喃酸／furoic acid；Ph-CHO：苯甲醛；DAAzF：3,3′-二氨基-4,4′-偶氮呋喃／3,3′-diamino-4,4′-azofurazan；MF：甲基呋喃／methyl furan。
目前已有相关文献对直接海水电解中的析氧反应 (OER) 和析氢反应 (HER) 电催化剂和膜电解槽进行了总结。然而，对于通过海水电解生产多种燃料和化学品（包括可能的复杂高纯电子化学品）以及集成式电催化反应系统的研究进展，还尚未发表过全面的综述工作。
原文图 3. 2010 至 2023 年期间海水电解相关论文的发表数量。(a) 按出版年份计算的论文数量。(b) 主题分别为析氢反应、有机物氧化反应和二氧化碳还原反应系统的海水电解相关论文的百分占比。数据来自 Web of Science。
作者们首先介绍了海水电解的原理、问题和解决方案，同时总结了增值化学品的氧化还原反应机理。 接下来，作者们详细讨论了海水电解过程中阳极和阴极的操作策略，包括不同学科的研究人员对可抗氯化物和杂质的电催化剂／膜的开发与应用工作。 作者们还总结了包括氢气在内的燃料以及通过海水电解在阴极和阳极处获得的化学品，并提出了其它可能的精细化学品甚至复杂高纯度电子化学品的联合生产。 最后，作者们给出了结论与展望，包括提高催化剂的本征活性、建立先进的原位表征和热管理技术、开发流动池反应器和膜反应器以及建设陆上／海上海水电解平台等以应对挑战并扩大海水电解的应用。
希望本综述能够指导研究人员们通过可再生能源驱动的海水电解将天然／廉价的物质（海水、N₂、CO₂、生物质等）或对环境有害的物质（尿素、肼、硫酸废水等）转化为增值的燃料或化学品。
综述目录
Introduction
引言
Seawater electrolysis: fundamentals and challenges
海水电解：基础知识与面临挑战
Advances for catalyst protection and membrane suitability in seawater electrolysis
海水电解中催化剂保护和膜适用性的研究进展原文图 6. 海水电解中，通过抗氯化物效应保护电催化剂的几种方法以及纳米／微米级环境中催化剂界面的示意图。
膜的稳定性与开发
Cathodic fuels and chemicals from seawater electrolysis
海水电解获得的阴极燃料与化学品
Hydrogen production from seawater
有可能以海水为原料生产的燃料与精细化学品
Anodic fuels and chemicals from seawater electrolysis
海水电解获得的阳极燃料与化学品
Degradation of pollutants
Potential new systems for producing the fuels and value-added chemicals
生产燃料和增值化学品的潜在新系统
Other concerns for fuels and chemicals production
燃料与化学品生产的其它关切
Conclusions and perspectives
结论与展望原文图 15. 海水电解系统从纳米／微米尺度到放大生产的前景。 原文图 16. (a) 本文提出的海水电解平台的示意图（MDI：二苯基甲烷二异氰酸酯，PET：聚对苯二甲酸乙二醇酯）。(b) 以 CO₂RR-ClOR（二氧化碳还原反应–氯离子氧化反应）系统作为海水电解示例的详细图示。
Building the advanced in situ characterization and thermal management techniques
Developing the flow cell reactors and membrane reactors
Constructing onshore/offshore seawater electrolysis platforms
建设陆上／海上的海水电解平台
期刊介绍
rsc.li/chem-soc-rev
Chem. Soc. Rev.
| 2-年影响因子* | 40.4分 |
| 5-年影响因子* | 48.1 |
| JCR 分区* | Q1 化学-综合 |
| CiteScore 分† | 80.8分 |
| 中位一审周期‡ | 44.7 天 |
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Jennifer Love
🇨🇦 卡尔加里大学
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