乔世璋等Angew.：Cl−的作用不可忽视！显著促进NiFe LDH催化碱性海水氧化

利用海水作为原料进行电催化水分解制氢可以有效缓解传统水分解过程中淡水消耗量大的问题。然而，海水主要含有Cl⁻(~0.55 M)、Na⁺(~0.48 M)、Mg²⁺(~0.05 M)等离子，在阳极上析氯反应(ClER)由于与析氧反应(OER)具有相似的热力学，可以与OER反应竞争。

因此，ClO⁻作为ClER在碱性条件下的氧化产物，会对整个电解装置产生严重的腐蚀问题。将成熟的AE技术用于直接海水分解可能是一种有效的解决方案，因为高pH会抑制ClER，其石棉隔膜可以避免Cl⁻堵塞，以及碱性条件有利于Ca²⁺和Mg²⁺的去除。

为了便于AE中的直接碱性海水电解，以往的研究主要集中在在阳极上构建保护层，实现Cl⁻与催化剂的分离上，以抑制上述提到的腐蚀和副反应。然而，由于改性层在恶劣的操作条件下通常不够稳定，这种抑制策略面临着耐久性不理想的问题。因此，为了开发一种高性能的碱性海水分解催化剂，需要阐明Cl⁻的作用。

基于此，阿德莱德大学乔世璋、郑尧和中国科学院高能物理研究所董俊才等首次利用在催化剂表面吸附来自于碱性海水原料的Cl⁻，构建了一种工业规模的碱性海水分解装置。

具体而言，研究人员以NiFe LDH作为模型催化剂，通过一系列原位表征技术证明，在OER过程中，Cl⁻在LDH中Fe位点上的吸附抑制了Fe的浸出，产生了更多的活性Ni位点；同时Cl⁻的特定吸附行为触发OER机制从LOM向AEM的转变，稳定了催化剂中的晶格氧，有助于提高NiFe LDH在直接碱性海水分解反应中的OER活性和稳定性。

因此，所制备的NiFe LDH催化剂具有较高的OER活性，其在碱性海水中达到100 mA cm⁻²电流密度时的过电位仅为254 mV，性能优于大多数催化剂；同时，该催化剂在碱性海水中还表现出优异的稳定性，其在200 mA cm⁻²电流密度下能够连续稳定运行超300小时。

此外，由于Cl⁻的促进作用，以NiFe LDH作为阳极组装的工业级碱性海水电解槽，将用电量从5.95 kWh Nm⁻³(商用净化水基AE)降低到4.72 kWh Nm⁻³(节省20.7%)。

除了提高能源效率，这种碱性海水基AE在200 mA cm^-2的电流密度下还具有超过100小时的耐久性。综上，该项研究不仅为Cl⁻对典型OER催化剂的影响提供了一个新的、全面的认识，而且为海水中电催化反应催化剂的设计提供了重要的指导。

High-Performance Alkaline Seawater Electrolysis with Anomalous Chloride Promoted Oxygen Evolution Reaction. Angewandte Chemie International Edition, 2023. DOI: 10.1002/anie.202311674

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