科學通報 | 南京大學李朝升教授團隊撰寫評述文章：電解海水制氫的挑戰、策略與未來

大規模利用可再生能源電解水制備“綠氫”是實現“雙碳”目標，乃至構建可持續社會的重要保障。使用海水等低品質水作為原料進行電解制備綠氫引起了廣泛的研究興趣。但海水成分復雜，對電解系統的耐久性造成了嚴重挑戰，阻礙了該技術的實際應用，甚至引發了對其經濟可行性的擔憂與爭論。

南京大學李朝升教授團隊撰寫評述文章，從電解海水的應用優勢和原理入手：

• 總結了目前海水分解所面臨的一些挑戰，包括陽極競爭反應、鹵素離子的腐蝕作用、原位沉淀堵塞活性位點、生物污染問題等。

• 對海水電解高選擇性、高穩定性的OER電催化劑的設計策略進行了介紹，包括優化OER反應能壘、創造更多活性位點、缺陷工程及設計與構建排斥Cl?的保護層等。

• 介紹了有前途的海水分解電解槽的設計策略。

• 對電解海水制氫的未來發展前景與趨勢進行了預測和展望。

圖文導讀

圖1利用海水和可再生電力制氫的三種途徑. 途徑1：直接海水電解制氫. 途徑2：兩步法，對海水進行預處理后再電解制氫. 途徑3 ：光電催化分解海水制氫

圖2(海)水分解原理及挑戰. (a) 電催化水分解示意圖. (b) OER在電極表面的AEM機制. (c) OER反應物及中間物種的吉布斯自由能與反應坐標的關系圖. (d) 模擬海水模型的Pourbaix圖. (e) 目前海水電解陽極和陰極的挑戰

圖3海水分解陽極電催化劑. (a, b) GDY/RhOx/GDY電極的模型. (c) Lewis酸修飾陽極促進局部堿性微環境生成示意圖. (d) CoFe-Ci@GQDs/NF抵抗海水中Cl?腐蝕示意圖. (e) CoFe-Ci@GQDs/NF在堿性模擬海水中2800 h的穩定性測試. (f) 測定的OH?濃度和抵抗Cl?所需的過量OH?的理論濃度. (g) 不同放大倍數下泡沫鎳和S-(Ni,Fe)OOH的SEM圖像. (h) Ni2Pv, Fe-Ni2P和Fe-Ni2Pv的Bader電荷數. (i) Fe摻雜和P空位調節中間物種結合強度. (j) 計算Ni2Pv, Fe-Ni2P和Fe-Ni2Pv的Ni 3d的PDOS

圖4陽極耦合無氯反應催化劑 . (a) 鈷基電催化劑在低于 1.0 V 的電池電壓下 , 海水制氫與 SOR 耦合制氫示意圖 . (b) 不同電解質下 CoO@C/MXene/NF 的 HER 、 SOR 和 OER. (c) 陽極電解液在 100 mA cm?2 下稀釋 250 倍的紫外可見光譜，插圖顯示了相應的陽極電解液照片 . (d) 不同電解質下 NiCo@C/MXene/CF 的 HER 與 HzOR 或 OER 的電壓差 (ΔV). (e) 以中性或堿性海水為陰極電解液時， HSE 的 LSV 曲線 . (f) HSE 在節能和無氯制氫方面優于 ASE 的優點 . (g) 無緩沖海水中 Ti4O7 和 Fe-Ti4O7 陽極的 LSV 極化曲線 . (h) Ti4O7 、 Fe-Ti4O7 和 涂層鈦陽極（ DSA ）的 法拉第效率 . (i) Fe-Ti4O7 陽極介導的海水電解示意圖

圖5電解(海)水制氫裝置.(a) 電解水的四種主要電解槽配置. (b) 放大SES的示意圖. (c) 在250 mA cm?2的恒定電流密度下對放大的SES進行電解耐久性測試

文章信息

范容莉, 趙敏躍, 鄒志剛, 李朝升. 電解海水制氫的挑戰、策略與未來. 科學通報, 2025, 70(18): 2933–2946

Fan R L, Zhao M Y, Zou Z G, Li Z S. Hydrogen production from seawater electrolysis: Challenges, strategies and future (in Chinese). Chin Sci Bull, 2025, 70(18): 2933–2946

doi: 10.1360/TB-2024-0500

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