海水是地球上最豐富的資源之一，使用可再生能源輸入的電化學(xué)海水電解是一種非常理想的、可持續(xù)的大規(guī)模生產(chǎn)氫氣的綠色方法。然而，由于電極側(cè)反應(yīng)和海水復(fù)雜組分引起的腐蝕問題，其耐久性不足，嚴(yán)重挑戰(zhàn)了其實(shí)際可行性。盡管使用聚陰離子涂層來抑制氯離子的腐蝕或設(shè)計(jì)高選擇性的電催化劑的催化劑工程已被廣泛利用，并取得了一定的成功，但它們?nèi)圆荒軡M足實(shí)際應(yīng)用。另外一種策略是使用預(yù)淡化工藝的間接海水分解，該方法可以避免副反應(yīng)和設(shè)備腐蝕問題，但需要額外的消耗能源，經(jīng)濟(jì)性大大降低。此外，獨(dú)立笨重的海水淡化系統(tǒng)使海水電解系統(tǒng)也極大限制了實(shí)際應(yīng)用。

近日，深圳大學(xué)/四川大學(xué)謝和平院士與南京工業(yè)大學(xué)邵宗平教授聯(lián)合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。研究表明，示范海水電解系統(tǒng)（seawater electrolysis system, SES）在實(shí)際應(yīng)用條件下以250 mA/cm^-2的電流密度穩(wěn)定地運(yùn)行了3200小時(shí)，沒有出現(xiàn)任何故障。這一策略以類似于淡水分離的方式實(shí)現(xiàn)了高效、簡便和可擴(kuò)展的海水直接電解，而運(yùn)營成本沒有明顯增加，具有很高的應(yīng)用潛力。重要的是，這種裝置和機(jī)制有望進(jìn)一步應(yīng)用于同時(shí)進(jìn)行的污水處理、資源回收和產(chǎn)氫。該論文以題為“A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation”發(fā)表在知名期刊Nature上，謝和平院士為本論文第一作者兼通訊作者，深圳大學(xué)為第一單位。

圖一、SES設(shè)計(jì)示意圖 © 2022 Springer Nature

圖二、連續(xù)高效電解原理 © 2022 Springer Nature 

圖三、規(guī)模化與通用性 © 2022 Springer Nature

綜述所述，研究人員展示了一種可擴(kuò)展的、無副反應(yīng)和無腐蝕的海水直接電解策略，在一個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了原位自驅(qū)動(dòng)水凈化和水電解。其關(guān)鍵技術(shù)是將自透氣防水膜和SDE納入電解槽中。由于海水和SDE之間的水蒸氣壓力差異，水從海水中穿過膜到SDE的遷移是通過液-氣-液相變機(jī)制自我驅(qū)動(dòng)的。這種獨(dú)特的水凈化機(jī)制確保了100%的離子阻斷效率，膜的疏水性導(dǎo)致了防污能力，微米級的氣體擴(kuò)散路徑使水的遷移率很高。作為演示，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的SES穩(wěn)定地運(yùn)行了72小時(shí)，RFE接近100%。規(guī)模化的SES具有386 L/h的制氫能力，在250 mA/cm^-2的條件下穩(wěn)定運(yùn)行超過3200小時(shí)，能耗低至5.0 kWh Nm⁻³ H₂，并且沒有觀察到明顯的電催化劑腐蝕或膜濕潤。通過應(yīng)用固體吸濕性SDE和較低的過電位催化劑，這一策略在未來可能會(huì)適應(yīng)能源密集型工業(yè)生產(chǎn)，并可用于污水處理和資源回收，同時(shí)還可進(jìn)行一步法制氫。可以預(yù)見，進(jìn)一步擴(kuò)大這種基于相變的水遷移策略，將導(dǎo)致從海水或非純水中開發(fā)出先進(jìn)的氫氣生產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用。