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

 

基于此，天津大學(xué)凌濤教授聯(lián)合澳大利亞阿德萊德大學(xué)喬世璋教授通過(guò)在催化劑表面引入堅(jiān)硬的路易斯酸層來(lái)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(shí)現(xiàn)直接電解海水。研究團(tuán)隊(duì)聲稱在電解槽中的催化劑上覆蓋一層簡(jiǎn)單、廉價(jià)的酸性涂層，可以使其以“幾乎100%的效率”分解海水，而無(wú)需除過(guò)濾外的任何預(yù)處理步驟。

 

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

 

 

DOI：10.1038/s41560-023-01195-x. 

 

研究團(tuán)隊(duì)表示，一個(gè)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(huì)因氯離子的嚴(yán)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(huì)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(wěn)定性明顯增強(qiáng)，局部堿化反應(yīng)環(huán)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(jīng)典的硬酸堿和軟酸堿理論，即硬酸優(yōu)先結(jié)合到硬堿上，團(tuán)隊(duì)通過(guò)在催化劑表面引入路易斯酸層來(lái)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(chuàng)造堿化微環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)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(xué)反應(yīng)被優(yōu)先富集的OH-有效抑制，以 "抵制 "進(jìn)入催化劑表面的Cl-。此外，因OH-和路易斯酸層之間的強(qiáng)結(jié)合從而明顯減少了海水電解質(zhì)中Mg2+和Ca2+陽(yáng)離子對(duì)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(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的這個(gè)通用的策略，可以應(yīng)用于不同的催化劑，而不需要專門設(shè)計(jì)的催化劑和電解器設(shè)計(jì)。通過(guò)這種在一系列Cr2O3改性的催化劑上原位生成的局部堿性環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了活性的大幅提升，同時(shí)避免了有害的氯氣化學(xué)反應(yīng)和沉淀物的形成。帶有Cr2O3改性催化劑的流動(dòng)式海水電解器具有良好的穩(wěn)定性和高電流密度。也因此，采用Lewis酸層改性陽(yáng)極和陰極的流動(dòng)式海水電解槽，其性能與使用商業(yè)化RuO2和Pt/C分別作為高純水中的陽(yáng)極和陰極催化劑的PEM電解槽相當(dāng)。這一策略將有助于未來(lái)的直接海水電解和其他在中性環(huán)境下工作的反應(yīng)的研究。

 

研究人員表示，“我們已經(jīng)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(yè)電解槽中使用一種不昂貴且廉價(jià)的催化劑，通過(guò)電解生產(chǎn)綠色氫氣。”