未来光锥前沿 - 直接电解海水生产绿色氢燃料

电解水生产绿色氢燃料对可再生能源的未来至关重要。目前，成熟的低温水电解技术，无论是碱性电解槽还是质子交换膜基电解槽，都采用高纯水作为原料。如果在不久的将来使用电解水来生产世界上绝大多数的能源，可能会出现淡水资源的短缺。

相比之下，海水占地球水储量的96.5%，是一种几乎无限的资源，也可以视为天然的电解质原料。然而，由于天然海水成分复杂，存在电极副反应以及海水相关的材料腐蚀，直接分解海水的技术仍处于起步阶段。如果想电解海水制氢，对于传统的电解器，就必须事先进行淡化及其他纯化处理，工艺的运行和维护成本都会大大增加。

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他们使用一种廉价的非贵金属催化剂——表面带有氧化铬（Cr₂O₃）的氧化钴（CoO），能够以近100%的效率将天然海水电解为氧气和氢气。

郑尧副教授介绍说：“我们使用海水作为原料，不需要任何类似反渗透脱盐、净化或碱化的预处理，就能够电解制氢。对于一般的商业电解装置，我们的催化剂在海水中运行的性能，接近于现有的高纯水原料中运行的铂/铱贵金属催化剂性能。”

研究团队在一系列常见的催化剂上引入了路易斯酸层，控制其局部反应微环境，直接进行海水电解。这是一种通用策略，可以应用于不同的催化剂，无需专门设计催化剂和电解槽。这种Cr₂O₃改性催化剂在局部碱性环境上原位生成，活性显著提高，同时避免形成有害含氯物质以及沉淀物。

带Cr₂O₃改性催化剂的流动式海水电解槽在500 mA·cm^-2下提供长达100小时的良好稳定性，并在1.87 V和60 C条件下表现出1.0 A·cm ²电流密度，满足工业生产需要。该团队今后将致力于将该催化剂应用于更大的电解槽中，来扩大该系统的规模，以便满足实际的工业生产，如氢燃料电池和合成氨工业等。

[1] Guo, J., Zheng, Y., Hu, Z. et al. Direct seawater electrolysis by adjusting the local reaction environment of a catalyst. Nat Energy (2023). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01195-x

[2] https://www.eurekalert.org/news-releases/978337

编译：竹子

编辑：靳小明

排版：尹宁流

题图来源：Pixabay