嶗山實驗室在海水制氫領(lǐng)域取得系列研究進(jìn)展

綠色零碳?xì)淠苁俏磥砟茉窗l(fā)展的重要趨勢，是我國推動構(gòu)建人類命運共同體、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任擔(dān)當(dāng)。近期，嶗山實驗室唐波研究員團(tuán)隊在海水制氫領(lǐng)域取得了系列重要研究進(jìn)展。

針對天然海水直接電解中陰極上鎂鈣（Mg2+/Ca2+）沉淀嚴(yán)重，電極活性位點被覆蓋的難題，團(tuán)隊首次提出基于三維蜂窩電極的微氣泡/沉淀輸運系統(tǒng)，展示了具有高海水還原性能的獨特電極構(gòu)造。為海水電解存在的陰極沉淀問題提出了可靠的解決方案，并揭示了卓越抗沉淀性能的普遍原則（Nat. Commun., 2024, 15, 2950）。團(tuán)隊進(jìn)一步探究了陰極抗沉淀的三種潛在策略，展示了從天然海水中共同電合成納米級氫氧化鎂和氫氣的可能性，提出了氫氣生產(chǎn)、氫氣儲存和鎂資源回收的建議工藝（Chem, 2024, DOI: 10.1016/j.chempr.2024.05.018）。

解決了陰極沉淀，海水直接電解還面臨海水中氯離子侵蝕陽極、引發(fā)大量副反應(yīng)導(dǎo)致的陽極催化效率低、穩(wěn)定性差的困擾。針對這一難題，團(tuán)隊發(fā)展了C2O42?到CO32?的原位碳氧陰離子自轉(zhuǎn)化（COST）策略，有效保護(hù)活性位點免受堿性海水氧化過程中Cl?侵蝕，實現(xiàn)長久、安培級堿性海水電解（Angew. Chem. Int. Ed., 2024, 63, e202316522）；通過構(gòu)筑高分散的微結(jié)構(gòu)鉻氧化物和鉻陰離子穩(wěn)定NiFe位點，利用均勻分布的OH?富集中心和抗Cl?吸附中心，從根本上提高了NiFe基電極堿性海水OER的活性、選擇性和化學(xué)穩(wěn)定性，實現(xiàn)了安培級電流密度下穩(wěn)定電解海水2500h。（Nat. Commun., 2024, 15, 6624）。團(tuán)隊還提出電極保護(hù)外層策略來提高鎳電極在苛刻條件下的使用壽命，使其在低pH溶液中以安培級電流密度進(jìn)行交替電解長達(dá)93.8小時，使用壽命是傳統(tǒng)水電解系統(tǒng)中鎳電極的47倍。該工作有效證明了通過有效、重復(fù)的沉積-溶解過程在工程化苛刻電解條件進(jìn)行長時間電解的可能性（Nat. Commun., 2024, 15, 6208）。

圖1 基于eNSR活性和抗沉淀三維電極結(jié)構(gòu)的高效微輸運系統(tǒng)

圖2 天然海水中共同電合成納米級氫氧化鎂和氫氣

圖3 原位碳氧陰離子自轉(zhuǎn)化策略用于堿性海水氧化

圖4 基于均勻分布OH-富集中心和抗Cl-吸附中心實現(xiàn)高效穩(wěn)定海水氧化

圖5 水交替電解系統(tǒng)