谢和平院士团队海水制氢成果再登Nature子刊

深圳大学官网 2024-10-22

2024年10月15日，谢和平院士团队以深圳大学和四川大学共建的深地工程智能建造与安全运维全国重点实验室为第一单位，在Nature Communications上发表题为“Redox-mediateddecoupledseawaterdirectsplitting for H2production”的研究成果。

这是谢和平院士继海水直接电解制氢Nature正刊后，在该领域的第二篇Nature子刊。

不同于2022年11月谢和平院士团队Nature正刊上提出的相变迁移海水直接电解制氢颠覆性原理技术，该研究是谢和平院士团队围绕海水中的氯离子引发副反应和电极腐蚀现象，提出的另一种新的解耦式海水直接电解制氢策略。论文系统研究了铁氰酸根/亚铁氰酸根电对([Fe(CN)6]3−/4−)在真实海水体系下可逆氧化还原特性，探明了电解系统阴极析氢反应与阳极亚铁氰酸根氧化反应的高效性，厘清了解耦体系下氧气自发稳定产出的反应机理，实现了全新系统在真实海水环境下250小时的长时间稳定。该项原理技术巧妙规避了海水中氯离子对电解制氢反应的干扰，充分验证了解耦式海水直接电解制氢系统在复杂海水环境下的抗腐蚀性与对氯离子副反应的应用潜力，将有助于丰富和进一步构建破解海水复杂成分影响的海水电解制氢理论体系和技术框架。

图一：解耦式海水直接电解制氢策略

该研究针对海水制氢中最棘手的氯离子干扰难题，引入氧化还原介导的解耦策略，利用兼具热力学和动力学优势的阳极反应，巧妙规避了传统电解水制氢过程中析氧反应与氯离子反应的直接竞争，大幅降低了电化学腐蚀。在该研究中，[Fe(CN)6]3−/4−电对在海水中不仅保持了优异的可逆氧化还原动力学特性，而且在200 mA cm−2的接近工业级电流密度下实现了超过250小时的长时间稳定运行。

图二：Fe(CN)6]3−/4−电对在海水中的氧化还原性能

图三：解耦式海水直接电解制氢系统及电解制氢效果

海水电解制氢是未来能源体系的重要发展路径。传统海水间接制氢技术先淡化后制氢，依赖复杂的海水淡化工艺和设备，占用面积大、投资成本和工程难度高。自20世纪70年代初期，科学界便开始探索海水直接电解制氢的可能性。在过去几十年中，包括美国斯坦福大学、法国国家科学研究中心、澳大利亚阿德莱德大学、中国科学院在内的多个国际知名研究机构，通过催化剂设计、膜材料科学等策略，对海水直接电解制氢中的氯离子干扰、钙镁盐沉淀以及催化剂失活等关键难题进行了深入研究。

2022年11月，谢和平院士团队通过将分子扩散、界面相平衡等物理力学过程与电化学反应结合，创新提出了相变迁移海水直接电解制氢全新路径，从根本上破解了海水直接电解制氢的难点和瓶颈，成果发表于Nature（Nature, 2022, 612(7941): 673-678），并入选“2022年度中国科学十大进展”。2023年5月，谢和平院士团队与东方电气集团联合开发了漂浮式制氢系统“东福一号”，在3～8级大风、0.3～0.9米海浪条件下稳定运行，打造了全球首个海上风电海水无淡化原位直接电解制氢示范（Nature Communications, 2024, 15(1): 5305），首次验证了在海洋复杂荷载环境下的海水无淡化原位直接电解制氢可行性，构建了与再生能源相结合的一体化海水直接制氢全新模式，是目前全球唯一的漂浮式海上直接电解制氢示范案例，也标志着谢和平院士团队世界独创、完全自主研发的全新原理新技术正在快速迈向产业化。

解耦式海水直接电解制氢原理及策略开发进一步拓宽了谢和平院士团队海水无淡化原位直接电解制氢全新原理技术体系，丰富和进一步完善构建了破解海水复杂成分影响的海水电解制氢理论体系和技术框架，为海水直接电解制氢的产业化发展提供理论指导！

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53335-w

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