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原創(chuàng)丨彤心未泯（學(xué)研匯 技術(shù)中心）
編輯丨風(fēng)云
研究背景
氫燃料可以通過電解產(chǎn)生:用電將水分解成氫和氧。使用可再生能源作為輸入的電化學(xué)鹽水電解是大規(guī)模生產(chǎn)綠色氫的一種非常理想且可持續(xù)的方法。
海水中雜質(zhì)會(huì)引起副反應(yīng)和腐蝕，限制電極的耐久性。通過用帶負(fù)電荷的分子涂覆催化劑或通過制造高選擇性催化劑來(lái)抑制腐蝕的方法雖然取得了一定的成功，但是對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來(lái)說還遠(yuǎn)不夠。海水在用于電解之前的脫鹽可以限制有問題的副反應(yīng)和腐蝕，但是脫鹽需要額外的能量輸入和空間，這使得它在經(jīng)濟(jì)上和實(shí)際上不太有吸引力。
新思路
有鑒于此，深圳大學(xué)謝和平院士（第一和通訊作者）與南工大邵宗平等人提出了一種直接海水電解制氫的方法，從根本上解決了副反應(yīng)和腐蝕問題。演示系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用條件下以每平方厘米250毫安的電流密度穩(wěn)定運(yùn)行超過3200小時(shí)，沒有出現(xiàn)故障。該策略實(shí)現(xiàn)了高效、尺寸靈活、可擴(kuò)展的直接海水電解，類似于淡水分離，且不會(huì)顯著增加運(yùn)行成本，具有很高的實(shí)際應(yīng)用潛力。重要的是，這種結(jié)構(gòu)和機(jī)理有望進(jìn)一步應(yīng)用于同時(shí)進(jìn)行的水基廢水處理和資源回收以及一步制氫。
1、開發(fā)了自驅(qū)動(dòng)原位水凈化海水電解裝置作者通過應(yīng)用疏水性多孔聚四氟乙烯(PTFE)基防水透氣膜作為氣路界面，并采用濃氫氧化鉀(KOH)溶液作為自潤(rùn)濕電解質(zhì)(SDE)實(shí)現(xiàn)了基于自驅(qū)動(dòng)相變機(jī)制的原位水凈化過程與海水電解的集成裝置，并證實(shí)了海水電解概念的可行性。作者分析本工作能實(shí)現(xiàn)連續(xù)高效電解歸因于疏水性多孔PTFE膜在海水和SDE之間充足的氣體擴(kuò)散路徑、超強(qiáng)的離子隔離、高離子電導(dǎo)率、超快的水遷移速率以及超高的膜防污能力。3、證實(shí)了可持續(xù)海水電解制氫的通用性和多功能性作者證實(shí)了該系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定的“原位水凈化-電解”過程，揭示了系統(tǒng)放大的通用性以及多功能性。1、從根本上解決了海水電解副反應(yīng)和腐蝕等問題作者開發(fā)了一種基于隔膜的海水電解系統(tǒng)，利用水蒸氣壓力差實(shí)現(xiàn)海水的自發(fā)蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)了雜質(zhì)的完全分離，從根本上解決了海水電解腐蝕和副反應(yīng)的問題。2、實(shí)現(xiàn)了原位自驅(qū)動(dòng)水凈化和水電解利用自潤(rùn)濕電解質(zhì)（SED）的低水蒸氣壓推動(dòng)了水的跨膜擴(kuò)散，不需要額外的能量來(lái)確保水進(jìn)入系統(tǒng)，意味著該電解槽的能耗類似于工業(yè)堿性電解槽的能耗。3、實(shí)現(xiàn)了海水電解系統(tǒng)3200小時(shí)以上的高穩(wěn)定性SDE具有高導(dǎo)電性，能夠在250mA/cm2和2.1V的電壓下進(jìn)行高效且穩(wěn)定運(yùn)行3200小時(shí)以上。防水透氣膜由聚四氟乙烯制成，具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性，確保電解槽能夠抵抗極端和復(fù)雜的環(huán)境，并為其長(zhǎng)期運(yùn)行奠定了實(shí)際基礎(chǔ)。
自驅(qū)動(dòng)原位水凈化海水電解裝置
作者通過應(yīng)用PTFE基防水透氣膜作為氣路界面，并采用濃氫氧化鉀(KOH)溶液作為SDE實(shí)現(xiàn)了基于自驅(qū)動(dòng)相變機(jī)制的原位水凈化過程與海水電解的集成裝置。這種設(shè)計(jì)允許水蒸氣擴(kuò)散，但完全防止液態(tài)海水和雜質(zhì)離子的滲透。海水和SDE之間的水蒸氣壓力差導(dǎo)致海水自發(fā)蒸發(fā)，并以蒸汽形式通過薄膜擴(kuò)散到SDE，在那里又變回液態(tài)水。通過電解消耗SDE中的水來(lái)維持膜兩側(cè)的壓差，從而確保淡水的持續(xù)進(jìn)入。建立了一個(gè)具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的海水電解系統(tǒng)(SES)，證實(shí)了海水電解概念的可行性。
圖 SES的設(shè)計(jì)
連續(xù)高效電解
在本工作中，疏水性多孔PTFE膜在海水和SDE之間引入了緊密連接的微米級(jí)氣體擴(kuò)散路徑，以定向傳輸水蒸氣并完全防止液體滲透。PTFE的多氟結(jié)構(gòu)具有低表面能，形成超疏水隔離域以抑制海水和離子隨時(shí)間的滲透。正如預(yù)期的那樣，SDE中各種離子濃度在96小時(shí)內(nèi)保持穩(wěn)定，并且都比海水中的濃度低至少四個(gè)數(shù)量級(jí)。浸沒在水中的微米級(jí)氣體路徑加速了水蒸氣的產(chǎn)生，并將其遷移速率提高了至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。水遷移速率顯著依賴于膜的性質(zhì)。在一定時(shí)期內(nèi)，較大的氣路面積有利于更多的水蒸氣遷移到SDE。此外，分子間碰撞和分子與膜孔之間的碰撞同時(shí)發(fā)生，其中較大的孔徑和較短的氣路長(zhǎng)度都加速了水的遷移速率。SEM證實(shí)了PTFE膜具有出色的防污能力。
圖 連續(xù)高效電解的起源
可持續(xù)海水電解制氫
作者建立了平衡水遷移和電解耗水量的模型。結(jié)果表明在海水濃度恒定的情況下，通過調(diào)節(jié)SDE濃度和電流值可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的H2生產(chǎn)。SES可以被認(rèn)為是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)。通過多循環(huán)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了SES的靜態(tài)平衡性能，顯示出可持續(xù)的循環(huán)能力和穩(wěn)定電解的潛力。當(dāng)由界面壓力差引起的水遷移量和電解的水消耗量達(dá)到單位時(shí)間的動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，該系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定的“原位水凈化-電解”過程，使得能夠從海水中連續(xù)且高效地生產(chǎn)H2。通過COMSOL模擬揭示了對(duì)水遷移過程的時(shí)空洞察，表明即使在2000米的深度，SDE和海水之間仍然存在驅(qū)動(dòng)力，證明基于這種水相變遷移策略在深海產(chǎn)生H2的可行性。此外，通過制造放大的演示型SES證明了本文方法的通用性，按比例放大的SES在超過3200h的時(shí)間內(nèi)仍表現(xiàn)出杰出的穩(wěn)定性能，能耗約為5.0kWh Nm-3 H2。由于其緊湊的設(shè)計(jì)、有限的系統(tǒng)工程和優(yōu)異的性能，可擴(kuò)展系統(tǒng)在生態(tài)浮島的能源建設(shè)中具有巨大的應(yīng)用潛力。還使用不同的固體吸濕性SDE對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了24小時(shí)穩(wěn)定性測(cè)試，使用不同的電催化劑研究電解性能，證實(shí)了該策略的多功能性。
圖 擴(kuò)大規(guī)模和通用性
總之，作者證明了一種可擴(kuò)展的、無(wú)副反應(yīng)和無(wú)腐蝕的直接海水分離策略，該策略在單個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了原位自驅(qū)動(dòng)水凈化和水電解。這種獨(dú)特的水凈化機(jī)制確保了100%的離子阻擋效率，膜的疏水性實(shí)現(xiàn)了防污能力，微米級(jí)氣體擴(kuò)散路徑實(shí)現(xiàn)了高的水遷移率。通過應(yīng)用固體吸濕性SDE和較低過電位的催化劑，這種策略可能適用于未來(lái)的能源密集型工業(yè)生產(chǎn)，并可用于廢水處理和資源回收以及一步H2生成。該策略可應(yīng)用于除海水之外的其他非揮發(fā)性液體，如用于工業(yè)廢水處理的高濃度酸、堿和鹽溶液。此外，它不僅可用于生產(chǎn)氫氣，還能從水中回收有用的資源，如鋰等。但仍需要進(jìn)一步的研究以匹配電解槽的能效，以及與可再生能源供應(yīng)和傳統(tǒng)電解槽的兼容性。
參考文獻(xiàn)：
https://doi.org/10.1038/d41586-022-03601-y
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
