日前，謝和平院士團隊以深圳大學和四川大學共建的深地工程智慧建造與安全運維全國重點實驗室為第一單位，在Nature Communications上發表題為“Redox-mediateddecoupledseawaterdirectsplitting for H2production”的研究成果。這是謝和平院士繼海水直接電解制氫Nature正刊後，在該領域的第二篇Nature子刊。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-53335-w
不同於2022年11月謝和平院士團隊Nature正刊上提出的相變遷移海水直接電解制氫顛覆性原理技術，該研究是謝和平院士團隊圍繞海水中的氯離子引發副反應和電極腐蝕現象，提出的另一種新的解耦式海水直接電解制氫策略。論文系統研究了鐵氰酸根/亞鐵氰酸根電對([Fe(CN)6]3−/4−)在真實海水體系下可逆氧化還原特性，探明瞭電解系統陰極析氫反應與陽極亞鐵氰酸根氧化反應的高效性，釐清瞭解耦體系下氧氣自發穩定產出的反應機理，實現了全新系統在真實海水環境下250小時的長時間穩定。該項原理技術巧妙規避了海水中氯離子對電解制氫反應的干擾，充分驗證瞭解耦式海水直接電解制氫系統在複雜海水環境下的抗腐蝕性與對氯離子副反應的應用潛力，將有助於豐富和進一步構建破解海水複雜成分影響的海水電解制氫理論體系和技術框架。
圖一：解耦式海水直接電解制氫策略
該研究針對海水制氫中最棘手的氯離子干擾難題，引入氧化還原介導的解耦策略，利用兼具熱力學和動力學優勢的陽極反應，巧妙規避了傳統電解水制氫過程中析氧反應與氯離子反應的直接競爭，大幅降低了電化學腐蝕。在該研究中，[Fe(CN)6]3−/4−電對在在海水中不僅保持了優異的可逆氧化還原動力學特性，而且在200 mA cm−2的接近工業級電流密度下實現了超過250小時的長時間穩定執行。
圖二：Fe(CN)6]3−/4−電對在海水中的氧化還原效能
圖三：解耦式海水直接電解制氫系統及電解制氫效果
海水電解制氫是未來能源體系的重要發展路徑。傳統海水間接制氫技術先淡化後製氫，依賴複雜的海水淡化工藝和裝置，佔用面積大、投資成本和工程難度高。自20世紀70年代初期，科學界便開始探索海水直接電解制氫的可能性。在過去幾十年中，包括美國斯坦福大學、法國國家科學研究中心、澳大利亞阿德萊德大學、中國科學院在內的多個國際知名研究機構，透過催化劑設計、膜材料科學等策略，對海水直接電解制氫中的氯離子干擾、鈣鎂鹽沉澱以及催化劑失活等關鍵難題進行了深入研究。
2022年11月，謝和平院士團隊透過將分子擴散、介面相平衡等物理力學過程與電化學反應結合，創新提出了相變遷移海水直接電解制氫全新路徑，從根本上破解了海水直接電解制氫的難點和瓶頸，成果發表於Nature(Nature, 2022, 612(7941): 673-678)，併入選“2022年度中國科學十大進展”。2023年5月，謝和平院士團隊與東方電氣集團聯合開發了漂浮式制氫系統“東福一號”，在3～8級大風、0.3～0.9米海浪條件下穩定執行，打造了全球首個海上風電海水無淡化原位直接電解制氫示範(Nature Communications, 2024, 15(1): 5305)，首次驗證了在海洋複雜荷載環境下的海水無淡化原位直接電解制氫可行性，構建了與再生能源相結合的一體化海水直接制氫全新模式，是目前全球唯一的漂浮式海上直接電解制氫示範案例，也標誌著謝和平院士團隊世界獨創、完全自主研發的全新原理新技術正在快速邁向產業化。
解耦式海水直接電解制氫原理及策略開發進一步拓寬了謝和平院士團隊海水無淡化原位直接電解制氫全新原理技術體系，豐富和進一步完善構建了破解海水複雜成分影響的海水電解制氫理論體系和技術框架，為海水直接電解制氫的產業化發展提供理論指導!
本文來自：深圳大學。
