摘要：氢气是一种清洁高效的能源载体,通过海水电解规模化制备氢气能够为应对全球能源挑战提供新的机遇。然而,缺乏高活性、高选择性和高稳定性的理想电极材料是在腐蚀性海水中连续电解过程的一个巨大挑战。为了缓解这一困境,需要从基础理论和实际应用两方面对材料进行深入研究。近年来,人们围绕电极材料的催化活性、选择性和耐腐蚀性进行了大量的探索。本文重点总结了高选择性和强耐腐蚀性材料的设计合成与作用机制。其中详细介绍了多种电极材料(如多金属氧化物、Ni/Fe/Co基复合材料、氧化锰包覆异质结构等)对氧气生成选择性的研究进展;系统论述了各种材料的抗腐蚀工程研究成果,主要讨论了本征抗腐蚀材料、外防护涂层和原位产生抗腐蚀物种三种情况。此外,提出了海水电解过程中存在的挑战和潜在的机遇。先进纳米材料的设计有望为解决海水电解中的氯化学问题提供新思路。

摘要：氢能是一种来源丰富、用途广泛和绿色低碳的二次能源,是未来国家能源体系的重要组成部分。可再生资源发电结合电解水制氢工艺体系具备零排放、可循环、可存储和能源互联等特点。其中海水电解制氢工艺不仅解决淡水资源紧缺问题,并且有助于海洋资源的开发与利用。然而,电池阳极的氧析出选择性不高,海水中氯离子以及氯析出产物的腐蚀性强是制约此技术发展的瓶颈问题之一。针对如何提高海水电解制氢体系的抗腐蚀性能与氧析出选择性,本文将从催化剂设计、化学反应体系与工艺设计包含多工艺耦合和反应装置设计等方面,总结前人的研究成果与经验,并提出相应的应对策略和未来发展方向,为后续海水电解制氢技术的研究与应用提供借鉴。

摘要：海水电解是一种很有前景的可持续绿氢生产技术。然而,由于受到缓慢的动力学、阳极上竞争性的氯释放反应、氯离子腐蚀和电极表面中毒等的影响,致使阳极材料的性能和耐久性下降,析氧反应(OER)的选择性降低。与传统的粉末催化剂相比,自支撑纳米阵列材料具有较低的界面电阻、较大的活性表面和优异的稳定性,已成为先进的催化剂。特别是在需要高电流密度的实际大规模制氢应用中,自支撑催化剂比粉末催化剂更具优势。电解过程中,在电极表面所产生气泡的强烈冲击下,粉末状纳米材料很容易剥离,导致催化活性降低,甚至频繁更换催化剂。相比之下,自支撑纳米材料的活性物质和基底之间具有很强的粘附性,确保了良好的电子导电性和高机械稳定性,有利于长期和循环使用。本文综述了用于海水电解自支撑过渡金属催化剂的最新进展,包括(氧)氢氧化物、氮化物、磷化物、硫族化物等。为确保OER过程中的高活性和高选择性,着重总结了各析氧催化剂在应对耐腐蚀性和屏蔽竞争反应方面所采取的策略。通常,构建具有高孔隙率和粗糙度的3D多孔纳米结构可以使催化剂具有较大的表面积和丰富的活性位点,是提高传质、OER活性和催化效率的有效策略。其次,催化剂表面的Cl−阻挡层,特别是兼具催化活性和保护作用的保护层,可以有效抑制Cl−的竞争性氧化和腐蚀,提高催化剂的催化活性、选择性和稳定性。此外,设计具有超亲水和超疏水表面的催化材料,以增加电解质的渗透性,促进活性位点的有效利用,并避免大量气泡的积累。最后,简要总结了OER催化剂在海水电解中的发展前景及建议。具体来说,海水电解的介质应从模拟盐水转移到天然海水中。鉴于天然海水电解中面临的诸多挑战,除了设计和合成具有高活性、高选择性和高稳定性的自支撑催化剂外,开发简单、低成本的天然海水预处理技术以最大限度地减少腐蚀和中毒问题也是海水电解未来发展的重要课题。更重要的是,应合理构建自支撑OER电催化剂的标准化评价体系。评估过程中应充分考虑催化剂内在活性、可达活性位点密度、尺寸、质量负荷、基质效应和试验条件等因素。

摘要：由太阳能、风能和海洋等可再生能源驱动的工业级水分解产氢为能源和环境的可持续性发展开辟了一条极具潜力的道路。然而,在工业上最先进电解技术使用高纯水作为氢源,这将带来严重的淡水资源危机。海水分解为饮用水短缺提供了一条切实可行的解决途径,但仍面临规模工业化生产的巨大挑战。在这里,我们总结了海水分解的最新进展,包括反应机制、电极设计标准和直接海水分解的工业电解槽。深入讨论了应对海水电解中的关键挑战,如活性位点、反应选择性、耐腐蚀性和传质能力等的解决方案。此外,该文章重点总结了海水电解设备的最新发展,并提出了设计长寿命直接海水电解装置的有效策略。最后,我们对直接海水电解的未来机遇和挑战提出了自己的观点。

摘要：利用海水替代淡水进行电解制氢被认为是一种经济、可持续的技术。目前,海水电解存在着阳极稳定性差的问题,制约了其进一步的发展。研究发现,海-水中高浓度的Cl会造成阳极的严重腐蚀,导致电极快-速失效。因此,科学家设计了许多具有抗Cl腐蚀层的-催化剂来提高的镍基阳极的稳定性。然而,这些耐Cl腐蚀的阳极在碱性海水中测试的稳定性明显短于碱性模拟海水(0.5M NaCl)。

摘要：电解水技术依赖稀缺的纯水资源,这限制了该技术的进一步发展。海水是储量丰富的水资源,因而将海水作为电解制氢的原料替代纯水,能够拓宽电解水的水质要求,从而解决电解水的水源问题。然而,海水体系中大量的氯离子会对阳极造成腐蚀,降低阳极及电解槽的使用寿命。以往研究表明,通过电极表面吸附氧阴离子如硫酸根、磷酸根、硝酸根等来排斥氯离子,可以提高阳极寿命,但无法满足工业化需求。中国科学院宁波材料技术与工程研究所氢能与储能材料技术实验室研究员陆之毅与陈亮,基于前期关于海水电解制氢阳极稳定性的研究成果,在海水电解制氢阳极稳定性研究方面取得了进展。该团队设计了新型化学固定硫酸根的电极,在反应过程中原位构筑硫酸根斥氯层,实现了10000 h稳定碱性海水电解制氢。催化剂在合成过程中掺杂原子级分散的钡离子,在其反应过程中生成硫酸钡从而将硫酸根均匀固定在电极表面,并配合电极表面电性吸附的硫酸根,共同构筑排氯层,从而提高了海水电解中阳极的稳定性。

摘要：为了解决现有的能源危机,实现持续的海水电解,需要设计高效的电催化剂来应对阳极析氧反应缓慢与氯离子(Cl~–)腐蚀的问题。本研究在泡沫镍(NF)骨架上采用一步式水热法制备了一种具有独特纳米结构的改性Ce-FeHPi/NF电极。实验结果表明,Ce掺杂调节了FeHPi/NF的表面形貌,形成了非晶型纳米球,这不仅使催化层生长为致密紧实的纳米结构,而且大幅提高了电极的活性表面积,从而明显提高了电催化活性。此外,磷酸基可有效排斥电极表面的Cl~–,增强其耐腐蚀性,使其在海水中长期稳定运行。10%Ce-FeHPi/NF电极在碱性模拟海水(1 mol·L^(–1)KOH+0.5 mol·L^(–1)NaCl)电解液中,仅需要较低的过电位(296 mV)即可达到100 mA·cm^(–2)的电流密度。在1 mol·L^(–1)KOH+1 mol·L^(–1)NaCl电解液中,10%Ce-FeHPi/NF电极在恒电位1.774 V(***)下实现了超过130 h的稳定运行。本研究所制备的改性纳米结构材料有效提高了电极的析氧活性,为海水电解阳极催化材料的发展提供了一条新的途径。

摘要：电化学析氯反应(CER)是氯碱工业电解池和海水电解池的重要阳极反应,具有优异活性与稳定性的尺寸稳定阳极(DSA)是目前主要使用的CER阳极材料.然而DSA电极面临着Ru和Ir等贵金属稀缺性和昂贵价格等问题,故发展非贵金属基高性能CER电催化剂具重要意义.但当前针对非贵金属基CER催化剂相关研究仍然较少,主要挑战在于难以兼顾CER高活性和酸性电解质高氧化电位下的稳定性.本文提出对尖晶石结构的Co_(3)O_(4)进行晶面调控来提高其CER活性和稳定性的策略.通过诱导{112}晶面的形成以取代较为稳定{111}晶面,从而暴露出更高密度的八面体位点(Cooct).在4 mol L^(-1)NaCl(pH 2)作为电解质的条件下,暴露{112}晶面的Co_(3)O_(4)在电流密度为100 mA cm^(-2)时的CER过电位仅为170 m V,远低于{111}晶面Co_(3)O_(4)的330 mV,并优于商业RuO_(2)的320 mV.此外,其具有接近100%的法拉第效率以及优异的稳定性(在10 mA cm^(-2)持续17 h的恒电流测试后,溶解钴浓度仅为8 ppb(1 ppb=1μg L^(-1))).密度泛函理论(DFT)计算也表明{112}面具有对Cl^(-)更优的吸附能.该研究为如何利用晶面合理设计高效的Co基非贵金属CER催化剂提供新的途径.