深圳大学谢和平院士&南京工业邵宗平，最新Nature！

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以可再生能源为输入的电化学盐水电解，是大规模生产绿色氢的一种非常可取和可持续的方法；然而，由于电极侧反应和海水复杂组分引起的腐蚀问题，其耐久性不足，严重挑战了其实际可行性。

虽然利用聚阴离子涂层抑制氯离子腐蚀或制造高选择性电催化剂的催化剂工程，已被广泛开发并取得了一定的成功，但在实际应用中仍远远不能令人满意。通过使用预脱盐过程的间接海水分离，可以避免副反应和腐蚀问题，但它需要额外的能源输入，使其在经济上不具有吸引力。此外，独立的体积庞大的海水淡化系统，使海水电解系统在尺寸上缺乏灵活性。

在此，来自深圳大学的谢和平院士&南京工业大学的邵宗平等研究者提出了一种直接海水电解制氢的方法，从根本上解决了副反应和腐蚀问题。相关论文以题为“A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation”于2022年11月30日发表在Nature上。

在此，研究者的策略的关键点是：将基于自驱动相变机制的原位水净化工艺集成到海水电解中，这是通过应用疏水多孔聚四氟乙烯(PTFE)防水透气膜作为气路界面，采用浓氢氧化钾(KOH)溶液作为自阻尼电解质(SDE)实现的(图1a)。

这样的设计，允许水蒸气的偏压扩散，但完全防止液体海水和杂质离子的渗透。在运行过程中，海水和跨膜SDE之间的水蒸气压差，为海水侧的自发海水气化(蒸发)和水蒸气通过膜内的短气路扩散到SDE侧，并在SDE侧被SDE吸收再液化提供了驱动力。

该相变迁移过程，允许从海水源原位生成纯净水用于电解，具有100%的离子阻断效率，同时在SDE中同时电解所消耗的水成功地维持了界面压差。因此，当水迁移速率等于电解速率时，海水和SDE之间建立了新的热力学平衡，实现了水通过“液-气-液”机制的持续稳定迁移，为电解提供淡水(图1b)。

图1 SES的设计

为了验证该海水电解概念的可行性，研究者首先建立了一个实验室规模的对称结构海水电解系统(SES)来研究电化学性能。电催化剂层固定在电极板上，用亲水膜片分离两个电极，防止氢(H₂)和氧(O₂)的混合。SDE储存架具有提供SDE环境和固定多孔PTFE膜的功能，水迁移发生在底部，生成的气体在顶部释放，避免H₂的潜在损失。

此外，聚四氟乙烯膜完全分离SDE和海水。在平均电压约为1.95 V和2.3 V，电流密度分别为250 mA cm⁻²和400 mA cm⁻²的情况下，SES稳定运行72小时以上，从海水(中国深圳湾)中产生H₂(图1c)。随着电解过程中海水的长期持续消耗，容器内海水水位逐渐下降，说明海水中的水分子向SDE侧迁移。

气相色谱分析表明，在250 mA cm⁻²和400 mA cm⁻²条件下的相对法拉第效率(RFE)接近100%，没有氯(Cl₂)的生成(图1d)。此外，在400 mA cm⁻²连续电解72 h后，SDE中检测到极低浓度的杂质离子，即0.074 mg l⁻¹ ClO⁻、0.082 mg l⁻¹ SO₄²⁻和0.062 mg l⁻¹ Mg²⁺，仅为海水中相应离子浓度的0.008‰、0.052‰和0.089‰。

这些结果，有力地支持了基于液-气-液相过渡的水迁移机制的可持续H₂生成，用于海水电解的原位水净化。计算表明，在电流密度分别为250 mA cm⁻²和400 mA cm⁻²时，生产H₂的电力费用约为4.6 kWh Nm⁻³ H2和5.3 kWh Nm⁻³ H₂，这与纯水的工业碱性电解相当，因为取消了单独的脱盐过程(图1e)。

研究表明，示范系统在实际应用条件下，以每平方厘米250毫安的电流密度稳定运行超过3200小时，没有出现故障。该策略以类似淡水裂解的方式实现了高效、尺寸灵活、可扩展的海水直接电解，且运行成本不显著增加，具有很高的实际应用潜力。重要的是，这种结构和机制有望进一步应用于同时进行的基于-水的污水处理、资源回收和一步制氢。

图2 连续高效电解的起源

图3 规模化和通用性

总之，研究者展示了一种可扩展的、无副作用和无腐蚀的海水直接裂解策略，在单个系统中实现了原位自驱动水净化和水电解。其关键技术是将自透气防水膜和SDE集成到电解槽中。由于海水和SDE之间水蒸气压力的差异，水从海水穿过膜向SDE迁移是通过液-气-液相变机制自驱动的。

这种独特的水净化机制，确保了100%的离子阻隔效率，膜的疏水性使其具有防污能力，微米级的气体扩散路径使其具有较高的水迁移速率。通过应用固体吸湿SDE和过电位较低的催化剂，该策略可能适用于未来的能源密集型工业生产，并可用于废水处理和资源回收与一步制氢结合。预计，这种基于相变的水迁移策略的进一步扩展，将导致从海水或不纯水生产先进H₂的实际应用的发展。

作者简介

谢和平，1956年1月出生，男，湖南双峰人，能源与力学专家，1982年毕业于中国矿业大学数学与力学系，2001年当选为中国工程院院士。深圳大学特聘教授，深圳大学深地科学与绿色能源研究院院长，四川大学原校长、教授博导。国务院学位委员会委员，中国科学技术协会常委。国家重点研发计划“深部岩体力学与开采理论”项目负责人。

长期致力于采矿工程、矿山工程力学、绿色能源开发利用及深地科学领域的基础研究与工程实践，特别是破断煤岩体力学研究方面具有突出成果。在我国最早建立了矿山裂隙岩体宏观损伤力学模型，开拓了矿山裂隙岩体损伤力学研究新领域。1982年起，创造性引入分形方法对裂隙岩体进行非连续变形、强度和断裂破坏研究，并与损伤力学结合在国际上开创了岩石力学分形研究新领域。近年来，在深地科学探索领域,包括深地固体资源流态化开采、中低温地热发电、地下空间开发利用、海水能源化及深地医学等领域提出了创新性理念与构想，并在绿色能源、低碳技术与CO₂矿化及综合利用技术领域进行了深入探索，取得了重要进展。

谢和平院士为国家973项目首席科学家（2次），国家自然科学基金委创新研究群体科学家。首届“中国青年科学家奖(技术科学)”，何梁何利科技进步奖(技术科学奖)，国家自然科学二、三等奖，国家科技进步二、三等奖，均为第一获奖人。被英国Nottingham大学、德国Clausthal工业大学、香港理工大学授予“荣誉博士”学位，获牛津大学授予“牛津大学圣艾德蒙Fellow”学术称号。

文献信息

Xie, H., Zhao, Z., Liu, T. et al. A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05379-5

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05379-5

https://kjb.szu.edu.cn/info/1013/2211.htm

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