[汽车总站网 www.chianautoms.com欢迎你]
研究背景
直接海水电解( DSE )是一种可持续的绿色制氢技术。然而，由于腐蚀、氯相关的副反应和金属沉淀导致的低催化活性和有限的使用寿命，实施这项技术仍然具有很大的挑战性。
综述概述
有鉴于此，休斯顿大学Zhifeng Ren等人从海水电解质、催化剂、膜和电解质等方面对DSE目前面临的挑战和可能的解决方案进行了全面的概述和批判性讨论。首先讨论了海水中杂质离子带来的挑战和机遇，并探索了提高DSE性能的潜在海水处理解决方案。然后，总结并提出了设计用于DSE的高效析氢和析氧反应催化剂的有效策略。接下来，介绍了用于DSE的膜的最新进展和面临的挑战，包括对膜降解机制的分析和可能的缓解策略。作者还批判性地回顾和讨论了用于DSE的传统和新型电解池的优势和挑战。重要的是，为了指导未来的研究，作者强调了如何进一步优化策略和解决方案，以解决真实世界操作条件下DSE中的退化和腐蚀。最后，作者讨论了DSE技术大规模应用的未来挑战和前景。
具体内容
海水电解质
海水的复杂成分对DSE系统性能产生显著影响，尤其是Cl⁻导致的腐蚀和副反应（如ClER）以及Mg²⁺和Ca²⁺沉淀对电催化剂活性位点的阻塞。为应对这些挑战，需对海水进行简单而适当的预处理，如添加碱金属氢氧化物或缓冲液，以提高OER催化剂的活性和选择性，同时抑制Cl⁻的负面影响。然而，碱性环境虽能抑制Cl⁻，但也可能影响电极稳定性，且实际应用中碱性电解质的排放和置换不经济且不生态。此外，通过OH⁻或CO₃²⁻离子沉淀去除Mg²⁺和Ca²⁺是常见的预处理策略，但残留离子仍可能在阴极表面形成沉淀。其他离子如SO₄²⁻和CO₃²⁻对海水电解有积极影响，可通过排斥Cl⁻来提高稳定性。磷酸根或碳酸根离子嵌入层状双氢氧化物中也能有效排斥Cl⁻，增强稳定性。目前，大多数高活性、高选择性和高稳定性的DSE系统在碱性海水电解质中实现，但需进一步研究OH⁻在碱性海水电解中的作用，以及离子富集对性能的影响。研究DSE电解槽在饱和盐浓度下的性能至关重要，以实现可持续的海水电解并与海洋资源开采工业结合。未来研究应聚焦于了解碱性海水电解的极端条件带来的挑战，并评估直接使用天然海水的可行性，而不是依赖模拟海水。
催化剂设计
电催化剂是DSE系统的核心，需在海水电解中保持高活性和稳定性。OER催化剂面临Cl⁻竞争反应和腐蚀问题，解决策略包括物理调节（如添加保护层、原位改变局部环境）、化学调节（如杂原子掺杂、界面工程、应变工程）和混合电解（用AOR替代OER）。物理调节可减轻Cl⁻诱导降解，但需平衡保护与活性；化学调节通过改变电子结构优化吸附行为，但需解决长期稳定性问题；混合电解可降低Cl⁻腐蚀风险，但需优化催化剂以减少副反应。HER催化剂则需应对Ca²⁺、Mg²⁺沉淀和Cl⁻腐蚀，通过几何结构设计增加活性位点，电子结构调节优化吸附行为，局部微环境调节抑制沉淀和腐蚀。尽管各策略有优势，但仍面临材料降解、成本和长期稳定性等挑战。未来需整合多种策略，结合机器学习和高通量筛选技术，开发具有自修复能力的新型催化剂，推动DSE技术发展。
膜设计
基于膜的海水电解槽对实际应用至关重要，其稳定性显著影响系统性能。海水膜分为离子交换膜（IEM）和非离子交换膜。IEM包括质子交换膜（PEM）、阴离子交换膜（AEM）、双极膜（BPM）和阳离子交换膜（CEM）。PEM防止金属离子沉淀但易受杂质影响；AEM在碱性环境中使用非贵金属催化剂，抑制氯气生成，但需提高OH⁻选择性；BPM结合PEM和AEM优点，可独立选择半反应的pH条件，但稳定性需进一步研究；CEM防止杂质交叉，适用于非对称设计。非离子交换膜如隔膜、反渗透膜（ROM）、正渗透膜（FOM）和防水透气膜（WBM）通过独特结构传导水或离子并阻挡气体，但易受污染和堵塞。膜的降解主要由离子污染、化学和机械降解以及结垢引起。离子污染破坏选择性离子传输，可通过选择性化学部分和预处理缓解。化学降解由活性物质攻击膜官能团引起，可通过掺入稳定阳离子部分和控制操作条件改善。结垢和污染阻碍电荷转移，可通过表面改性和预处理减轻。未来研究需开发高选择性、导电性、稳定性和抗污染的膜材料，特别是AEM和BPM，以延长海水电解槽寿命并实现经济可行的DSE系统。
电解槽设计
制造理想的海水电解槽需要对电解质制备、催化剂合成和膜制作进行优化，并采用统一的电解槽设计方法。常见的电解槽类型包括碱性水电解槽（AWE）、质子交换膜水电解槽（PEMWE）、阴离子交换膜水电解槽（AEMWE）、固体氧化物电解池（SOEC）和双极膜水电解槽（BPMWE），每种都有其优势和挑战。AWE成熟且实验室规模表现良好，但直接使用天然海水时面临电解质降解、电极结垢和高盐度导致的腐蚀等问题。PEMWE可在大电流密度下运行且能防止氢氧化物沉淀，但酸性环境限制了催化剂选择并增加了成本，同时难以抑制ClER。AEMWE结合了AWE和PEMWE的优点，但存在Cl⁻交叉、沉淀物形成和水传输动力学问题。SOEC利用高温分离水和杂质，但仍面临微量盐杂质积累导致的堵塞问题。BPMWE通过局部pH调控抑制ClER和沉淀，但膜的耐久性和杂质管理仍是挑战。理想的DSE电解槽应使用非贵金属催化剂，直接使用天然海水，在低电压下维持高电流密度，长期稳定运行，并降低能耗。AEMWE在这些方面表现出色，但需要进一步改进。此外，新型电解槽设计，如结合WBM的AWE和基于CEM的不对称电解槽，展示了潜力，但仍面临能量效率、电解质泄漏、膜稳定性和杂质管理等挑战。耐腐蚀材料、先进膜技术、杂质减少策略、电极工程技术和先进的电池设计是实现大规模DSE的关键。
总结与展望
尽管在催化剂、膜和电解槽设计方面取得了进展，DSE系统仍面临挑战。未来发展方向包括：开发简单经济的海水处理技术以消除杂质影响，结合海水处理组件和电解槽实现低成本氢气生产；设计能够在安培级电流密度下稳定工作的耐腐蚀电极材料，开发低成本、可扩展的电极合成方法；制造高选择性、高导电性、抗污染和结垢的膜，并进行真实世界测试；开发耐腐蚀电极材料、先进膜技术和高效气体分离策略的可靠电解槽，整合可再生能源，优化设计以确保在大电流密度下高效运行，并通过智能控制系统、自清洁电极和实时监控传感器提高稳定性和寿命。实现大规模绿色制氢需学术界和工业界密切合作，结合科学创新与实际应用，加速可持续氢能发展。
[汽车总站网 www.chianautoms.com欢迎你]
