海水电解制氢是一种新型的能源转换技术,因其能够利用可再生能源,如风能和太阳能,从海水中直接产生氢气,应用于清洁能源生产等领域。与传统的淡水电解制氢技术相比,海水电解制氢具有资源丰富、成本低廉等优点。然而,海水中存在大量的氯离子(Cl−),在电解过程中会发生氯气析出反应(ClOR),产生有害的腐蚀性物质,导致电解系统的腐蚀与效率下降,因此带来了制氢过程的安全性和稳定性等挑战。成果简介为了克服上述问题,深大&四川大学谢和平院士团队,四川大学吴一凡课题组以及刘涛研究员、兰铖助理研究员等人携手在Nature Communications期刊上发表了题为“Redox-mediated decoupled seawater direct splitting for H2 production”的最新论文。该团队设计了一种解耦式海水直接电解系统(DSDE),该系统通过引入一种[Fe(CN)6]3−/4−氧化还原介质来实现电解过程的分步反应,成功避免了氯气析出的发生。利用该系统,不仅显著提高了电解过程中氢气的产率,还有效抑制了腐蚀性氯化物的生成。通过将[Fe(CN)6]3−/4−氧化还原对作为电荷传递介质,该系统在阳极侧实现了更具热力学与动力学优势的电化学氧化反应,并利用独立的氧气生成反应器,实现了稳定的氧气释放。实验结果表明,该系统在较低电压(1.37V, 10mA/cm²)下即可实现高效氢气生成,并在接近工业电流密度(200mA/cm²)下运行超过250小时,表现出良好的稳定性与耐久性。此外,即使在饱和氯离子的碱性海水中,该系统仍保持了高效的电解性能,展示了良好的应用前景。研究亮点
1. 实验首次采用解耦海水直接电解(DSDE)系统进行氢气生产,成功避免了氯电氧化反应的发生。该系统通过将红氧化还原介质([Fe(CN)6]3−/4−)与电解槽和单独的氧气演化反应器相结合,有效地解决了传统海水电解中因氯离子(Cl−)引发的腐蚀和毒气生成问题。2. 实验通过红氧化还原介质的循环使用,实现了在低电压下的高效氢气生产。在电化学电池中,阴极维持氢气演化反应(HER),而阳极进行[Fe(CN)6]3−的电氧化反应,与氯电氧化反应相比,后者在热力学和动力学上均具有优势。DSDE系统在10 mA cm−2和100 mA cm−2电流密度下,电压分别维持在约1.37 V和1.57 V,且在200 mA cm−2的接近工业电流密度下稳定运行超过250小时。3. 实验表明,解耦海水电解系统在氯离子饱和的碱性海水中仍能有效运行。该系统利用阴阳离子交换膜确保电中性,使OH−从阴极迁移至阳极,从而进一步优化了电解过程的可持续性和成本效益。图文解读