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宁波材料所在天然海水直接电解制氢研究方面

编译者:冯瑞华发布时间:May 22, 2024点击量:15 来源栏目:科技前沿

发展可再生能源电解水制氢技术是实现“碳达峰碳中和”目标的重要途径之一。全球范围海洋可再生能源发展迅猛,至2025年,海上风电装机总量可达到约100 GW。海水电解以低成本(2-3美元/kg H2)的可再生氢制取,有望解决深远海可再生能源消纳需求,原位直接海水电解无需对海水进行处理,有望成为最为行之有效的海水电解技术路线之一。但相对于以副产物形式制备的灰氢与蓝氢,电解海水制绿氢的成本仍居高不下,如果能够有效利用海水中的大量矿产资源,在提矿的同时制绿氢,势必能够大幅度降低绿氢制取成本。但是海水中大量的镁钙离子在氢氧化物被提取出的同时也会附着在阴极表面,阻碍电极与反应物接触,从而导致电极损伤并提高能耗。

近期,中国科学院宁波材料技术与工程研究所氢能与储能实验室陆之毅研究员带领的电化学环境催化团队,基于前期对碱性海水电解的研究(Angew. Chem. Int. Edit. 2021, 60, 22740; Nat. Commun. 2023, 14, 4822; Adv. Mater. 2023, 2306062; Adv. Funct. Mater. 2023, 2302263),在天然海水直接电解制氢研究方面取得了新的进展。该团队受前期超疏气电极研究的启发,提出了一种疏固策略,通过提升电极材料表面能进而增加电极表面的吸附水,较完整的水层(氢键网络)使得镁离子难以穿越到电极表面发生非均相成核,这使得电极表面获得了疏固的特性,有效缓解了电极表面的结垢问题。实验结果表明,具有高表面能的镍铜合金电极(NiCu alloy)能够在富含镁钙离子的溶液(10倍海水钙镁离子浓度)中稳定运行超1000小时,并持续产出高纯度、小粒径的氢氧化镁(纯度>99%)。通过理论模拟和实验验证,证实了电极表面的吸附水可有效阻碍镁离子穿越到电极表面发生非均相成核。此外,基于氢气、氢氧化镁双产物经济效益方面的优势,该技术路线相对于传统电解海水制氢,经济效益能够提升约10倍。这项研究解决了天然海水直接电解制氢技术中的重要问题,提出了一条天然海水直接电解制氢的新路线,将大大加快海水提镁制氢技术在工业规模上的商业化进程。

这一工作以”Solidophobic Surface for Electrochemical Extraction of High-Valued Mg(OH)2 Coupled with H2 Production from Seawater”为题发表在国际知名期刊Nano letters上(DOI:10.1021/acs.nanolett.4c01484), 论文通讯作者为宁波材料所陆之毅研究员与华东理工大学戴升教授。相关研究得到了国家重点研发计划(2023YFB4005100)的支持。

图1 直接海水电解阴极示意图

图2 电化学性能与稳定性测试

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