綠氫生產突破！調整催化劑局部反應環境實現工業級“海洋綠氫”

電解水生產綠色氫燃料對可再生能源的未來至關重要。目前，成熟的水電解技術都采用高純度水作為原料。使用大量的高純度水來生產氫氣可能會加劇淡水資源的短缺。相比之下，海水占地球水儲量的96.5%，這幾乎是一種無限的資源和天然的電解質原料。

然而，由于天然海水的復雜性，直接電解海水仍處于起步階段。其主要難點在于在接近中性的條件下，電解系統的效率低和穩定性差，并且海水中存在高濃度的有害氯離子和其他陽離子（Mg2+和Ca2+），在實際操作中會引發有害的氯氣氧化/腐蝕，還會產生大量不溶性沉淀物（例如MgOH）的形成，這些沉淀物會物理性地堵塞陰極。

基于此，天津大學凌濤教授聯合澳大利亞阿德萊德大學喬世璋教授通過在催化劑表面引入堅硬的路易斯酸層來分裂水分子并捕捉催化劑周圍大量的原位生成的羥基陰離子（OH-）而實現直接電解海水。研究團隊聲稱在電解槽中的催化劑上覆蓋一層簡單、廉價的酸性涂層，可以使其以“幾乎100%的效率”分解海水，而無需除過濾外的任何預處理步驟。

相關研究成果已于近期以“Direct seawater electrolysis by adjusting the local reaction environment of a catalyst”為題發表在了《Nature Energy》雜志上。

DOI：10.1038/s41560-023-01195-x. 

研究團隊表示，一個典型的電解器催化劑可能是由氧化鈷制成的，其表面有氧化鉻。海水電解通常會因氯離子的嚴重侵蝕性破壞這些催化劑，或者不溶的鎂和鈣沉淀物將其污染，這些沉淀物會堆積并堵塞電極。

與天然海水（pH=7.9）相比，CoOx在堿化海水（pH=14）中的活性和穩定性明顯增強，局部堿化反應環境有利于天然海水分裂，以克服堿化和天然海水電解之間的活性差異。遵循經典的硬酸堿和軟酸堿理論，即硬酸優先結合到硬堿上，團隊通過在催化劑表面引入路易斯酸層來分裂水分子并捕捉催化劑周圍大量的原位生成的羥基陰離子（OH-），人為地創造堿化微環境，從而實現直接電解海水。由于這種原位生成的局部堿度的存在，催化劑表面的氯化學反應被優先富集的OH-有效抑制，以 "抵制 "進入催化劑表面的Cl-。此外，因OH-和路易斯酸層之間的強結合從而明顯減少了海水電解質中Mg2+和Ca2+陽離子對OH-的捕獲，從而避免了沉淀。

天然海水中陰極活性以及避免在Cr2O3-CoOx上形成沉淀

研究團隊設計的這個通用的策略，可以應用于不同的催化劑，而不需要專門設計的催化劑和電解器設計。通過這種在一系列Cr2O3改性的催化劑上原位生成的局部堿性環境，實現了活性的大幅提升，同時避免了有害的氯氣化學反應和沉淀物的形成。帶有Cr2O3改性催化劑的流動式海水電解器具有良好的穩定性和高電流密度。也因此，采用Lewis酸層改性陽極和陰極的流動式海水電解槽，其性能與使用商業化RuO2和Pt/C分別作為高純水中的陽極和陰極催化劑的PEM電解槽相當。這一策略將有助于未來的直接海水電解和其他在中性環境下工作的反應的研究。

研究人員表示，“我們已經將天然海水以接近100%的效率分解成氧氣和氫氣，其步驟為在商業電解槽中使用一種不昂貴且廉價的催化劑，通過電解生產綠色氫氣。”