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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）
编辑丨风云
研究背景
氢燃料可以通过电解产生:用电将水分解成氢和氧。使用可再生能源作为输入的电化学盐水电解是大规模生产绿色氢的一种非常理想且可持续的方法。
海水中杂质会引起副反应和腐蚀，限制电极的耐久性。通过用带负电荷的分子涂覆催化剂或通过制造高选择性催化剂来抑制腐蚀的方法虽然取得了一定的成功，但是对于实际应用来说还远不够。海水在用于电解之前的脱盐可以限制有问题的副反应和腐蚀，但是脱盐需要额外的能量输入和空间，这使得它在经济上和实际上不太有吸引力。
新思路
有鉴于此，深圳大学谢和平院士（第一和通讯作者）与南工大邵宗平等人提出了一种直接海水电解制氢的方法，从根本上解决了副反应和腐蚀问题。演示系统在实际应用条件下以每平方厘米250毫安的电流密度稳定运行超过3200小时，没有出现故障。该策略实现了高效、尺寸灵活、可扩展的直接海水电解，类似于淡水分离，且不会显著增加运行成本，具有很高的实际应用潜力。重要的是，这种结构和机理有望进一步应用于同时进行的水基废水处理和资源回收以及一步制氢。
作者通过应用疏水性多孔聚四氟乙烯(PTFE)基防水透气膜作为气路界面，并采用浓氢氧化钾(KOH)溶液作为自润湿电解质(SDE)实现了基于自驱动相变机制的原位水净化过程与海水电解的集成装置，并证实了海水电解概念的可行性。作者分析本工作能实现连续高效电解归因于疏水性多孔PTFE膜在海水和SDE之间充足的气体扩散路径、超强的离子隔离、高离子电导率、超快的水迁移速率以及超高的膜防污能力。作者证实了该系统能够提供稳定的“原位水净化-电解”过程，揭示了系统放大的通用性以及多功能性。作者开发了一种基于隔膜的海水电解系统，利用水蒸气压力差实现海水的自发蒸发，实现了杂质的完全分离，从根本上解决了海水电解腐蚀和副反应的问题。利用自润湿电解质（SED）的低水蒸气压推动了水的跨膜扩散，不需要额外的能量来确保水进入系统，意味着该电解槽的能耗类似于工业碱性电解槽的能耗。SDE具有高导电性，能够在250mA/cm2和2.1V的电压下进行高效且稳定运行3200小时以上。防水透气膜由聚四氟乙烯制成，具有高度的化学稳定性，确保电解槽能够抵抗极端和复杂的环境，并为其长期运行奠定了实际基础。
自驱动原位水净化海水电解装置
作者通过应用PTFE基防水透气膜作为气路界面，并采用浓氢氧化钾(KOH)溶液作为SDE实现了基于自驱动相变机制的原位水净化过程与海水电解的集成装置。这种设计允许水蒸气扩散，但完全防止液态海水和杂质离子的渗透。海水和SDE之间的水蒸气压力差导致海水自发蒸发，并以蒸汽形式通过薄膜扩散到SDE，在那里又变回液态水。通过电解消耗SDE中的水来维持膜两侧的压差，从而确保淡水的持续进入。建立了一个具有对称结构的实验室规模的海水电解系统(SES)，证实了海水电解概念的可行性。
图 SES的设计
连续高效电解
在本工作中，疏水性多孔PTFE膜在海水和SDE之间引入了紧密连接的微米级气体扩散路径，以定向传输水蒸气并完全防止液体渗透。PTFE的多氟结构具有低表面能，形成超疏水隔离域以抑制海水和离子随时间的渗透。正如预期的那样，SDE中各种离子浓度在96小时内保持稳定，并且都比海水中的浓度低至少四个数量级。浸没在水中的微米级气体路径加速了水蒸气的产生，并将其迁移速率提高了至少两个数量级。水迁移速率显著依赖于膜的性质。在一定时期内，较大的气路面积有利于更多的水蒸气迁移到SDE。此外，分子间碰撞和分子与膜孔之间的碰撞同时发生，其中较大的孔径和较短的气路长度都加速了水的迁移速率。SEM证实了PTFE膜具有出色的防污能力。
图 连续高效电解的起源
可持续海水电解制氢
作者建立了平衡水迁移和电解耗水量的模型。结果表明在海水浓度恒定的情况下，通过调节SDE浓度和电流值可以实现连续稳定的H2生产。SES可以被认为是一个动态平衡系统。通过多循环实验证实了SES的静态平衡性能，显示出可持续的循环能力和稳定电解的潜力。当由界面压力差引起的水迁移量和电解的水消耗量达到单位时间的动态平衡时，该系统能够提供稳定的“原位水净化-电解”过程，使得能够从海水中连续且高效地生产H2。通过COMSOL模拟揭示了对水迁移过程的时空洞察，表明即使在2000米的深度，SDE和海水之间仍然存在驱动力，证明基于这种水相变迁移策略在深海产生H2的可行性。此外，通过制造放大的演示型SES证明了本文方法的通用性，按比例放大的SES在超过3200h的时间内仍表现出杰出的稳定性能，能耗约为5.0kWh Nm-3 H2。由于其紧凑的设计、有限的系统工程和优异的性能，可扩展系统在生态浮岛的能源建设中具有巨大的应用潜力。还使用不同的固体吸湿性SDE对系统进行了24小时稳定性测试，使用不同的电催化剂研究电解性能，证实了该策略的多功能性。
图 扩大规模和通用性
总之，作者证明了一种可扩展的、无副反应和无腐蚀的直接海水分离策略，该策略在单个系统中实现了原位自驱动水净化和水电解。这种独特的水净化机制确保了100%的离子阻挡效率，膜的疏水性实现了防污能力，微米级气体扩散路径实现了高的水迁移率。通过应用固体吸湿性SDE和较低过电位的催化剂，这种策略可能适用于未来的能源密集型工业生产，并可用于废水处理和资源回收以及一步H2生成。该策略可应用于除海水之外的其他非挥发性液体，如用于工业废水处理的高浓度酸、碱和盐溶液。此外，它不仅可用于生产氢气，还能从水中回收有用的资源，如锂等。但仍需要进一步的研究以匹配电解槽的能效，以及与可再生能源供应和传统电解槽的兼容性。
参考文献：
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
