第一作者：Wenjun He

通讯作者：张强教授、唐城副研究员

通讯单位：清华大学

DOI：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c08450.

研究背景

将海水电解与沿海太阳能/海上风能相结合，有利于成为基于可再生能源的制氢技术的一个有吸引力的选择。海水电解分为阴极析氢反应（HER）和阳极析氧反应（OER），伴有阳极析氯反应（CER）中卤化物的竞争，因此海水电解面临的主要挑战是如何避免CER在阳极选择性地进行OER。在碱性介质中，通过CER形成次氯酸盐的过电位值小于0.480 V，可避免选择性OER，而在酸性介质有利于OER。海水电解的另一个主要挑战是各种可溶性阳离子（Na+、Mg2+、Ca2+等），细菌/微生物和固体杂质/沉淀物的存在，可能会毒害催化剂、电极和膜，缩短电解槽的稳定使用寿命。此外，目前海水淡化的水质不足以直接用于电解槽，需要进一步净化，成本增加。因此，从实际应用的角度，需要进一步深入研究和技术创新来解决杂质的影响。基于此，清华大学张强教授和唐城副研究员（共同通讯作者）等人报道了以低成本、高效率、长寿命为目标，综述了低品位海水电解的最新研究进展。从材料工程和系统创新的角度全面讨论当前海水直接/间接电解的挑战、研究成果和设计原则。强调了开发高效稳定的催化剂、先进的膜和集成电解槽的进一步机会，以实现海水和低品位水源的绿色制氢。

文章要点

1、作者从材料工程和系统创新两方面综述了加快海水直接/间接电解效率和耐久性的最新进展。无论是直接或间接的海水电解，还是低品位的水电解，在工业相关的电流密度下，开发具有高活性、高选择性和长期稳定性的电催化剂是前提。

2、在短期内，考虑到先进的技术准备，间接海水电解可能更可行。无论是分离两步法还是集成电解槽，进一步提高海水净化技术的效率、提高净化水平、灵活的规模都至关重要。先进的膜基方法或其他创新设计是实现集成电解槽的长期和高产量性能的先决条件。此外，光伏/风力发电、集成式海水电解槽和燃料电池相结合，对解决近海和偏远地区的能源和淡水供应问题具有重要意义。

3、尽管在直接或间接的海水电解方面存在挑战，但随着对高效和稳定的催化剂、先进的膜和集成电解槽的持续研究和优化有望取得突破。这些海水电解技术的进展也适用于其他低品位水源，如地下水、工业废水、地表水、污水等，有利于解决缺水和水质问题。

图文展示

图1.海水电解反应的意义及挑战

图2.海水直接电解过程中阳极催化剂的设计策略

图3.加速海水中的OER催化

图4. HSEs中的其他电化学氧化反应取代OER

图5.通过构建选择性阻断层来抑制CER

图6.海水中Cl−物种的有效利用

图8.用于直接海水电解的集成膜基电解槽

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