近期，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所氫能與儲(chǔ)能材料技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研究員陸之毅帶領(lǐng)的電化學(xué)環(huán)境催化團(tuán)隊(duì)，通過(guò)在兩個(gè)固體之間引入致密的水合層，使得用于原位海水電解的陰極具有了疏固特性，在天然海水直接電解制氫研究方面取得了新的進(jìn)展。該成果日前發(fā)表于《納米快訊》期刊。


行之有效的海水電解


發(fā)展可再生能源電解水制氫技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)的重要途徑之一。


全球范圍海洋可再生能源發(fā)展迅猛，至2025年，海上風(fēng)電裝機(jī)總量可達(dá)到約100GW。


海水電解以每千克氫氣2～3美元的低成本進(jìn)行可再生氫制取，有望解決深遠(yuǎn)?？稍偕茉聪{需求。那么，免除裝載、存儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)脑恢苯雍Ｋ娊?，因無(wú)需對(duì)海水進(jìn)行處理，有望成為最為行之有效的海水電解技術(shù)路線之一。


但相對(duì)于以副產(chǎn)物形式制備的灰氫與藍(lán)氫，電解海水制綠氫的成本仍居高不下——灰氫由碳基能源制成，在制備過(guò)程中排放二氧化碳；藍(lán)氫以灰氫為基礎(chǔ)提煉而來(lái)，其生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳并不直接進(jìn)入大氣，而是通過(guò)捕獲技術(shù)被儲(chǔ)存起來(lái)；綠氫通過(guò)水電解和可再生能源制備，但又受可再生能源和水電解槽技術(shù)限制。


如果能夠有效利用海水中的大量礦產(chǎn)資源，在提礦的同時(shí)制綠氫，勢(shì)必能夠大幅度降低綠氫制取成本。


水分子致密層


然而，原位海水制氫存在一個(gè)不可回避的問(wèn)題。


海水中大量的鎂鈣離子，在氫氧化物被提取出的同時(shí)也會(huì)附著在陰極表面，阻礙電極與反應(yīng)物接觸，從而導(dǎo)致電極損傷并提高能耗。


基于此，寧波材料所電化學(xué)環(huán)境催化團(tuán)隊(duì)受到前期對(duì)堿性海水電解研究的啟發(fā)，提出了一種疏固策略，通過(guò)提升電極材料表面能進(jìn)而增加電極表面的吸附水，較完整的水層（氫鍵網(wǎng)絡(luò)）使得鎂離子難以穿越到電極表面成核生長(zhǎng)，這使得電極表面獲得了疏固的特性，有效緩解了電極表面的結(jié)垢問(wèn)題。


論文通訊作者陸之毅向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》解讀成果時(shí)介紹，為了減弱海水電解固體產(chǎn)物與電極表面之間的相互作用，他們提出通過(guò)在兩個(gè)固體之間引入由水分子組成的致密層，以產(chǎn)生特定于水的額外斥力，從而實(shí)現(xiàn)原位海水電解陰極的疏固特性。


海水提鎂制氫工業(yè)進(jìn)程提速


研究人員選擇了工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的鎳網(wǎng)作為研究對(duì)象，因?yàn)殒嚱饘僭谥行院蛪A性環(huán)境中均具有優(yōu)異的析氫活性。在實(shí)驗(yàn)中，他們通過(guò)調(diào)節(jié)電沉積和隨后的熱處理參數(shù)，可以合成具有高表面無(wú)序度的鎳銅合金電極（NiCu alloy），且高無(wú)序度的電極具有較高的表面能。