【儀表網 研發快訊】通過電解水制取綠氫能實現零碳排放，是推動“碳達峰、碳中和”進程的重要策略之一。電解水技術高度依賴稀缺的純水資源，限制了其進一步的發展。海水作為世界上儲量最豐富的水資源，將其作為電解制氫的原料替代純水，能夠拓寬電解水的水質要求，從而解決電解水的水源問題。然而，海水體系中大量的氯離子會對陽極造成嚴重腐蝕，降低陽極及電解槽的使用壽命。以往的研究表明，通過電極表面吸附氧陰離子(硫酸根、磷酸根、硝酸根等)來排斥氯離子，可提高陽極壽命(約1000小時)，但仍無法滿足工業化需求。
中國科學院寧波材料技術與工程研究所氫能與儲能材料技術實驗室陸之毅研究員與陳亮研究員共同合作，基于前期對海水電解制氫陽極穩定性的研究(Research 2020, 2020, 2872141; Angew. Chem. Int. Edit. 2021, 60, 22740；Adv. Mater. 2024, 36, 2306062)，在海水電解制氫陽極穩定性研究方面取得了新的進展。該團隊設計了一種新型化學固定硫酸根的電極，在反應過程中原位構筑硫酸根斥氯層，從而實現10000小時穩定堿性海水電解制氫。催化劑在合成過程中摻雜原子級分散的鋇離子，并在其反應過程中生成硫酸鋇從而將硫酸根均勻固定在電極表面，并配合電極表面電性吸附的硫酸根，共同構筑排氯層，從而顯著提高了海水電解中陽極的穩定性。實驗結果表明，經過優化的NiFeBa層狀氫氧化物(LDH)電極在1 M NaOH + 0.5 M NaCl + 0.05 M Na2SO4或1 M NaOH + 海水 + 0.05 M Na2SO4電解液中以400 mA cm-2的電流密度工作時，均可以實現超過10000小時的穩定性。理論模擬和實驗結果證實了在陽極表面原位形成的BaSO4配合電性吸附的硫酸根可以顯著降低陽極表面附近的游離Cl-濃度。此外，團隊對該電極進行尺寸放大，并在千瓦級海水電解制氫測試平臺中得到驗證。這項研究解決了堿性海水電解制氫技術中陽極壽命受限的重要問題，為其商業化應用提供了新的可能性。
該項研究成果設計了一種具有超長壽命的陽極，將大大加快堿性海水電解技術在工業規模上的商業化進程。相關工作以 “Stable Seawater Electrolysis over 10,000 Hours via Chemical Fixation of Sulfate on NiFeBa-LDH” 為題發表在國際知名期刊Advanced Materials上。
該研究得到了國家重點研發計劃(2023YFB4005100)、寧波市“甬江引才工程”科技創新/創新團隊(2021A-036-B)、寧波市科技創新2025重大專項計劃項目(2022Z205)、國家基金委青年基金(52201285)等項目的支持。
圖1 (a-c) NiFe-LDH和NFB-LDH在堿性電解液和海水中的活性和耐腐蝕性；(d-f) NiFe-LDH和NFB-LDH在不同電解液中的穩定性
圖2 (a-b) NFB-LDH放大電極及電解槽示意圖；(c) NFB-LDH放大電極在1kW電解槽中能耗及穩定性
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