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天津大学学者最新成果，实现工业级“海洋绿氢”！时间：2023-01-31 研究表明，电解水制备绿色氢燃料对未来可再生能源发展至关重要。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（PEM）基电解槽，均采用高纯水作为电解材料，这与淡水含量不足的现状存在明显冲突。相比之下，海水占地球水储量的96.5%，如果能开发出电解海水制氢技术，这将是一种几乎无限的资源和天然电解质原料。然而，由于天然海水的复杂性，直接海水分解仍处于起步阶段。与发达的碱性和新兴的利用淡水的PEM电解相比，直接海水电解技术的进展停滞不前。 主要挑战在于：电解系统在接近中性（~pH 8.0）的条件下效率低，稳定性差。更重要的是，存在高浓度的有害氯离子和不需要的阳离子，包括Mg2+和Ca2+。具体而言，与碱水相比，在中性海水条件下，阳极析氧反应（OER）和阴极析氢反应（HER）的催化剂的活性都很低。因此，在实际操作中获得所需的电流密度需要更高的施加电压。在这种情况下，会触发有害的氯氧化/腐蚀，进一步降低整体电解效率，严重侵蚀催化剂。此外，在电解过程中，阴极附近海水的pH值明显增加，由于Mg的存在，导致形成大量的不溶性沉淀物，从而物理阻挡了阴极。 为此，强碱添加在海水电解中仍然需要。目前，采用过渡金属基催化剂进行碱化海水电解后，在1.80V~1.90V（60°C~80°C）下氢电流密度可达到100 mA cm-2~400 mA cm-2，但海水电解的性能远远落后于淡水电解。因此，基于近40年的研究，直接海水电解的主要挑战仍然存在于催化剂工程和器件设计中。 天津大学凌涛教授和澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授（通讯作者）报道了直接电解未被碱化或酸化的真实海水，在500 mA cm-2下实现超过100小时的长期稳定性，且性能与在高纯水中循环的典型PEM电解槽相似。 具体来说，作者通过在在过渡金属氧化物催化剂中引入Lewis酸层（例如，Cr2O3），实现了动态分裂水分子并捕获羟基阴离子。这种原位产生的局部碱度有利于两个电极反应的动力学，并避免了氯化物的侵蚀和在电极上形成沉淀物。因此，一种带有Lewis酸修饰的电极（Cr2O3-CoOx）天然海水电解槽，在1.87 V和60°C条件下展现出了工业要求的1.0A cm-2电流密度。
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