天津大學學者最新成果，實現(xiàn)工業(yè)級“海洋綠氫”！

研究表明，電解水制備綠色氫燃料對未來可再生能源發(fā)展至關(guān)重要。目前，成熟的低溫水電解技術(shù)，無論是堿性電解槽還是質(zhì)子交換膜（PEM）基電解槽，均采用高純水作為電解材料，這與淡水含量不足的現(xiàn)狀存在明顯沖突。相比之下，海水占地球水儲量的96.5%，如果能開發(fā)出電解海水制氫技術(shù)，這將是一種幾乎無限的資源和天然電解質(zhì)原料。然而，由于天然海水的復雜性，直接海水分解仍處于起步階段。與發(fā)達的堿性和新興的利用淡水的PEM電解相比，直接海水電解技術(shù)的進展停滯不前。

主要挑戰(zhàn)在于：電解系統(tǒng)在接近中性（~pH 8.0）的條件下效率低，穩(wěn)定性差。更重要的是，存在高濃度的有害氯離子和不需要的陽離子，包括Mg2+和Ca2+。具體而言，與堿水相比，在中性海水條件下，陽極析氧反應（OER）和陰極析氫反應（HER）的催化劑的活性都很低。因此，在實際操作中獲得所需的電流密度需要更高的施加電壓。在這種情況下，會觸發(fā)有害的氯氧化/腐蝕，進一步降低整體電解效率，嚴重侵蝕催化劑。此外，在電解過程中，陰極附近海水的pH值明顯增加，由于Mg的存在，導致形成大量的不溶性沉淀物，從而物理阻擋了陰極。

為此，強堿添加在海水電解中仍然需要。目前，采用過渡金屬基催化劑進行堿化海水電解后，在1.80V~1.90V（60°C~80°C）下氫電流密度可達到100 mA cm-2~400 mA cm-2，但海水電解的性能遠遠落后于淡水電解。因此，基于近40年的研究，直接海水電解的主要挑戰(zhàn)仍然存在于催化劑工程和器件設計中。

天津大學凌濤教授和澳大利亞阿德萊德大學喬世璋教授（通訊作者）報道了直接電解未被堿化或酸化的真實海水，在500 mA cm-2下實現(xiàn)超過100小時的長期穩(wěn)定性，且性能與在高純水中循環(huán)的典型PEM電解槽相似。

具體來說，作者通過在在過渡金屬氧化物催化劑中引入Lewis酸層（例如，Cr2O3），實現(xiàn)了動態(tài)分裂水分子并捕獲羥基陰離子。這種原位產(chǎn)生的局部堿度有利于兩個電極反應的動力學，并避免了氯化物的侵蝕和在電極上形成沉淀物。因此，一種帶有Lewis酸修飾的電極（Cr2O3-CoOx）天然海水電解槽，在1.87 V和60°C條件下展現(xiàn)出了工業(yè)要求的1.0A cm-2電流密度。