科學(xué)通報 | 南京大學(xué)李朝升教授團(tuán)隊撰寫評述文章：電解海水制氫的挑戰(zhàn)、策略與未來

大規(guī)模利用可再生能源電解水制備“綠氫”是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，乃至構(gòu)建可持續(xù)社會的重要保障。使用海水等低品質(zhì)水作為原料進(jìn)行電解制備綠氫引起了廣泛的研究興趣。但海水成分復(fù)雜，對電解系統(tǒng)的耐久性造成了嚴(yán)重挑戰(zhàn)，阻礙了該技術(shù)的實際應(yīng)用，甚至引發(fā)了對其經(jīng)濟(jì)可行性的擔(dān)憂與爭論。

南京大學(xué)李朝升教授團(tuán)隊撰寫評述文章，從電解海水的應(yīng)用優(yōu)勢和原理入手：

• 總結(jié)了目前海水分解所面臨的一些挑戰(zhàn)，包括陽極競爭反應(yīng)、鹵素離子的腐蝕作用、原位沉淀堵塞活性位點、生物污染問題等。

• 對海水電解高選擇性、高穩(wěn)定性的OER電催化劑的設(shè)計策略進(jìn)行了介紹，包括優(yōu)化OER反應(yīng)能壘、創(chuàng)造更多活性位點、缺陷工程及設(shè)計與構(gòu)建排斥Cl?的保護(hù)層等。

• 介紹了有前途的海水分解電解槽的設(shè)計策略。

• 對電解海水制氫的未來發(fā)展前景與趨勢進(jìn)行了預(yù)測和展望。

圖文導(dǎo)讀

圖1利用海水和可再生電力制氫的三種途徑. 途徑1：直接海水電解制氫. 途徑2：兩步法，對海水進(jìn)行預(yù)處理后再電解制氫. 途徑3 ：光電催化分解海水制氫

圖2(海)水分解原理及挑戰(zhàn). (a) 電催化水分解示意圖. (b) OER在電極表面的AEM機制. (c) OER反應(yīng)物及中間物種的吉布斯自由能與反應(yīng)坐標(biāo)的關(guān)系圖. (d) 模擬海水模型的Pourbaix圖. (e) 目前海水電解陽極和陰極的挑戰(zhàn)

圖3海水分解陽極電催化劑. (a, b) GDY/RhOx/GDY電極的模型. (c) Lewis酸修飾陽極促進(jìn)局部堿性微環(huán)境生成示意圖. (d) CoFe-Ci@GQDs/NF抵抗海水中Cl?腐蝕示意圖. (e) CoFe-Ci@GQDs/NF在堿性模擬海水中2800 h的穩(wěn)定性測試. (f) 測定的OH?濃度和抵抗Cl?所需的過量OH?的理論濃度. (g) 不同放大倍數(shù)下泡沫鎳和S-(Ni,Fe)OOH的SEM圖像. (h) Ni2Pv, Fe-Ni2P和Fe-Ni2Pv的Bader電荷數(shù). (i) Fe摻雜和P空位調(diào)節(jié)中間物種結(jié)合強度. (j) 計算Ni2Pv, Fe-Ni2P和Fe-Ni2Pv的Ni 3d的PDOS

圖4陽極耦合無氯反應(yīng)催化劑 . (a) 鈷基電催化劑在低于 1.0 V 的電池電壓下 , 海水制氫與 SOR 耦合制氫示意圖 . (b) 不同電解質(zhì)下 CoO@C/MXene/NF 的 HER 、 SOR 和 OER. (c) 陽極電解液在 100 mA cm?2 下稀釋 250 倍的紫外可見光譜，插圖顯示了相應(yīng)的陽極電解液照片 . (d) 不同電解質(zhì)下 NiCo@C/MXene/CF 的 HER 與 HzOR 或 OER 的電壓差 (ΔV). (e) 以中性或堿性海水為陰極電解液時， HSE 的 LSV 曲線 . (f) HSE 在節(jié)能和無氯制氫方面優(yōu)于 ASE 的優(yōu)點 . (g) 無緩沖海水中 Ti4O7 和 Fe-Ti4O7 陽極的 LSV 極化曲線 . (h) Ti4O7 、 Fe-Ti4O7 和 涂層鈦陽極（ DSA ）的 法拉第效率 . (i) Fe-Ti4O7 陽極介導(dǎo)的海水電解示意圖

圖5電解(海)水制氫裝置.(a) 電解水的四種主要電解槽配置. (b) 放大SES的示意圖. (c) 在250 mA cm?2的恒定電流密度下對放大的SES進(jìn)行電解耐久性測試

文章信息

范容莉, 趙敏躍, 鄒志剛, 李朝升. 電解海水制氫的挑戰(zhàn)、策略與未來. 科學(xué)通報, 2025, 70(18): 2933–2946

Fan R L, Zhao M Y, Zou Z G, Li Z S. Hydrogen production from seawater electrolysis: Challenges, strategies and future (in Chinese). Chin Sci Bull, 2025, 70(18): 2933–2946

doi: 10.1360/TB-2024-0500

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