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清華張強(qiáng)&唐城ACS Nano綜述：直接/間接海水電解進(jìn)展！

來源：時間：2023-12-05 17:32:30 瀏覽：3613次

第一作者：Wenjun He

通訊作者：張強(qiáng)教授、唐城副研究員

通訊單位：清華大學(xué)

DOI：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c08450.

研究背景

將海水電解與沿海太陽能/海上風(fēng)能相結(jié)合，有利于成為基于可再生能源的制氫技術(shù)的一個有吸引力的選擇。海水電解分為陰極析氫反應(yīng)（HER）和陽極析氧反應(yīng)（OER），伴有陽極析氯反應(yīng)（CER）中鹵化物的競爭，因此海水電解面臨的主要挑戰(zhàn)是如何避免CER在陽極選擇性地進(jìn)行OER。在堿性介質(zhì)中，通過CER形成次氯酸鹽的過電位值小于0.480 V，可避免選擇性O(shè)ER，而在酸性介質(zhì)有利于OER。海水電解的另一個主要挑戰(zhàn)是各種可溶性陽離子（Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺等），細(xì)菌/微生物和固體雜質(zhì)/沉淀物的存在，可能會毒害催化劑、電極和膜，縮短電解槽的穩(wěn)定使用壽命。此外，目前海水淡化的水質(zhì)不足以直接用于電解槽，需要進(jìn)一步凈化，成本增加。因此，從實際應(yīng)用的角度，需要進(jìn)一步深入研究和技術(shù)創(chuàng)新來解決雜質(zhì)的影響?；诖?，清華大學(xué)張強(qiáng)教授和唐城副研究員（共同通訊作者）等人報道了以低成本、高效率、長壽命為目標(biāo)，綜述了低品位海水電解的最新研究進(jìn)展。從材料工程和系統(tǒng)創(chuàng)新的角度全面討論當(dāng)前海水直接/間接電解的挑戰(zhàn)、研究成果和設(shè)計原則。強(qiáng)調(diào)了開發(fā)高效穩(wěn)定的催化劑、先進(jìn)的膜和集成電解槽的進(jìn)一步機(jī)會，以實現(xiàn)海水和低品位水源的綠色制氫。

文章要點

1、作者從材料工程和系統(tǒng)創(chuàng)新兩方面綜述了加快海水直接/間接電解效率和耐久性的最新進(jìn)展。無論是直接或間接的海水電解，還是低品位的水電解，在工業(yè)相關(guān)的電流密度下，開發(fā)具有高活性、高選擇性和長期穩(wěn)定性的電催化劑是前提。

2、在短期內(nèi)，考慮到先進(jìn)的技術(shù)準(zhǔn)備，間接海水電解可能更可行。無論是分離兩步法還是集成電解槽，進(jìn)一步提高海水凈化技術(shù)的效率、提高凈化水平、靈活的規(guī)模都至關(guān)重要。先進(jìn)的膜基方法或其他創(chuàng)新設(shè)計是實現(xiàn)集成電解槽的長期和高產(chǎn)量性能的先決條件。此外，光伏/風(fēng)力發(fā)電、集成式海水電解槽和燃料電池相結(jié)合，對解決近海和偏遠(yuǎn)地區(qū)的能源和淡水供應(yīng)問題具有重要意義。

3、盡管在直接或間接的海水電解方面存在挑戰(zhàn)，但隨著對高效和穩(wěn)定的催化劑、先進(jìn)的膜和集成電解槽的持續(xù)研究和優(yōu)化有望取得突破。這些海水電解技術(shù)的進(jìn)展也適用于其他低品位水源，如地下水、工業(yè)廢水、地表水、污水等，有利于解決缺水和水質(zhì)問題。

圖文展示

圖1.海水電解反應(yīng)的意義及挑戰(zhàn)

圖2.海水直接電解過程中陽極催化劑的設(shè)計策略

圖3.加速海水中的OER催化

圖4. HSEs中的其他電化學(xué)氧化反應(yīng)取代OER

圖5.通過構(gòu)建選擇性阻斷層來抑制CER

圖6.海水中Cl^?物種的有效利用

圖7.間接海水電解系統(tǒng)

圖8.用于直接海水電解的集成膜基電解槽

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