国产三级精品三级在线观看,国产高清无码在线观看,中文字幕日本人妻久久久免费,亚洲精品午夜无码电影网

清華張強(qiáng)/唐城，最新ACS Nano綜述！

成果簡(jiǎn)介

由于超高純水的高成本，以及水源和可再生能源的不匹配分布，將海水電解與沿海太陽(yáng)能/海上風(fēng)能相結(jié)合，吸引著越來(lái)越多的科研人員對(duì)大規(guī)模綠色制氫的興趣。然而，海水中的各種雜質(zhì)導(dǎo)致具有腐蝕性和毒性的鹵化物、氫氧化物沉淀和物理阻塞，顯著降解催化劑、電極和膜，從而縮短電解槽的穩(wěn)定使用壽命。為加快海水電解的發(fā)展，擴(kuò)大析氧反應(yīng)（OER）和析氯反應(yīng)（CER）之間的工作電位差距，因此開發(fā)高效的海水凈化技術(shù)至關(guān)重要?；诖?，清華大學(xué)張強(qiáng)教授和唐城副研究員（共同通訊作者）等人報(bào)道了以低成本、高效率、長(zhǎng)壽命為目標(biāo)，綜述了低品位海水電解的最新研究進(jìn)展。

一方面，優(yōu)化催化劑/電極材料，調(diào)控電化學(xué)選擇性調(diào)節(jié)局部反應(yīng)環(huán)境，有望克服陽(yáng)極氯化學(xué)催化的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)海水直接電解。另一方面，通過(guò)預(yù)處理或綜合分離去除雜質(zhì)和離子更為直接，可以防止海水對(duì)商業(yè)電解槽的副作用，需要系統(tǒng)優(yōu)化或電解槽創(chuàng)新。作者從材料工程和系統(tǒng)創(chuàng)新的角度，討論了海水直接/間接電解技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)、研究成果和設(shè)計(jì)原則，有望為未來(lái)可持續(xù)能源應(yīng)用的有利電極材料、先進(jìn)海水淡化和智能（海）水電解系統(tǒng)的發(fā)展提供動(dòng)力。

研究背景

利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源從水電解中產(chǎn)生的綠色氫氣被廣泛認(rèn)為是最有前途的能源載體。然而，為最大限度地延長(zhǎng)使用壽命和節(jié)省成本，商用水電解槽通常需要超高純水作為原料，在淡水供應(yīng)不足的炎熱干旱地區(qū)不切實(shí)際。從實(shí)際角度來(lái)看，將海水電解與沿海太陽(yáng)能/海上風(fēng)能相結(jié)合，有利于成為基于可再生能源的制氫技術(shù)的一個(gè)有吸引力的選擇。海水電解分為陰極析氫反應(yīng)（HER）和陽(yáng)極析氧反應(yīng)（OER），伴有陽(yáng)極析氯反應(yīng)（CER）中鹵化物的競(jìng)爭(zhēng)，因此海水電解面臨的主要挑戰(zhàn)是如何避免CER在陽(yáng)極選擇性地進(jìn)行OER。

在堿性介質(zhì)中，通過(guò)CER形成次氯酸鹽的過(guò)電位值小于0.480 V，可避免選擇性O(shè)ER，而在酸性介質(zhì)有利于OER。因此，擴(kuò)大OER和CER之間的工作電位差對(duì)于避免海水電解過(guò)程中產(chǎn)生腐蝕性和毒性鹵化物至關(guān)重要。海水電解的另一個(gè)主要挑戰(zhàn)是各種可溶性陽(yáng)離子（Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺等），細(xì)菌/微生物和固體雜質(zhì)/沉淀物的存在，可能會(huì)毒害催化劑、電極和膜，縮短電解槽的穩(wěn)定使用壽命。此外，目前海水淡化的水質(zhì)不足以直接用于電解槽，需要進(jìn)一步凈化，成本增加。因此，從實(shí)際應(yīng)用的角度，需要進(jìn)一步深入研究和技術(shù)創(chuàng)新來(lái)解決雜質(zhì)的影響。

圖1. 海水電解的意義和挑戰(zhàn)

圖文導(dǎo)讀

1、材料工程助力海水電解

在設(shè)計(jì)海水電解陽(yáng)極催化劑時(shí)需要考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵方面。設(shè)計(jì)原則：（1）通過(guò)設(shè)計(jì)具有較低過(guò)電位的高活性催化劑來(lái)加速OER；（2）利用熱力學(xué)上更有利的電化學(xué)氧化反應(yīng)取代OER；（3）通過(guò)在電極表面或表面附近構(gòu)建Cl^–阻斷層來(lái)抑制CER；（4）利用Cl^–快速去除表面附近擴(kuò)散的Cl^–物質(zhì)。

圖2. 海水直接電解陽(yáng)極催化劑的設(shè)計(jì)策略

1.1、加速OER

無(wú)論海水中是否存在可溶離子，開發(fā)的催化劑在較低過(guò)電位下都能實(shí)現(xiàn)OER高選擇性是避免CER的理想解決方案。其中，鎳（Ni）基催化劑因其在堿性條件下的高活性，被廣泛用于加速OER選擇性。例如，NiOOH、NiFeB_x層、NiFeO-CeO₂/NF、S, P-(Ni, Mo, Fe)OOH/NiMoP/木材氣凝膠等催化劑。各種結(jié)構(gòu)和類型的陽(yáng)極催化劑材料被研究，顯示出通過(guò)加速OER過(guò)程實(shí)現(xiàn)堿性海水電解的巨大潛力。

圖3. 催化劑在海水中加速OER

1.2、替代OER

利用電化學(xué)氧化反應(yīng)替代OER，在熱力學(xué)上有利于避免CER，也有利于從工業(yè)廢水中去除某些有害化學(xué)物質(zhì)，不會(huì)產(chǎn)生額外的成本。由于尿素氧化反應(yīng)（UOR）涉及多個(gè)質(zhì)子耦合的電子轉(zhuǎn)移步驟，其具體的反應(yīng)機(jī)制遠(yuǎn)不是簡(jiǎn)單的C-N鍵斷裂。其中，進(jìn)一步研究UOR的反應(yīng)機(jī)理對(duì)材料設(shè)計(jì)和混合式海水電解槽（HSE）優(yōu)化至關(guān)重要。硫離子氧化反應(yīng)（SOR）具有氧化電位低、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，是避免海水電解中危險(xiǎn)氯化學(xué)物質(zhì)的一種有吸引力的方法。此外，乙二醇氧化反應(yīng)（EGOR）的平衡電位遠(yuǎn)低于OER，有助于避免有害的氯化學(xué)反應(yīng)。

圖4. 在HSEs中利用其他電化學(xué)氧化反應(yīng)代替OER

1.3、抑制CER

在催化劑表面或附近構(gòu)建選擇性滲透屏障層是抑制Cl^–離子接近活性位點(diǎn)的直接途徑，從而避免陽(yáng)極氯化學(xué)，提高電極穩(wěn)定性。在OER過(guò)程中，Ni₃S₂核被氧化和蝕刻，產(chǎn)生硫酸鹽離子，硫酸鹽離子遷移到外殼，從而排斥氯離子，阻礙電極腐蝕。局部環(huán)境中積累的OH^–不僅參與和加速了OER，而且形成了穩(wěn)定的雙電層，抑制Cl^–遷移和沉淀的形成。此外，還可以采用功能電解質(zhì)添加劑來(lái)抑制氯離子的遷移和反應(yīng)。這種超越材料策略為開發(fā)先進(jìn)的海水電解電極材料提供了很大的可能性和可行性。

圖5. 構(gòu)建選擇性阻斷層抑制CER

1.4、利用Cl^?

探究高選擇性陽(yáng)極或構(gòu)建阻塞層可有效地抑制CER，并保護(hù)陽(yáng)極免受腐蝕，但在大過(guò)電位的高電流密度（>1 A cm^-2）下，徹底避免Cl^–遷移或Cl₂的產(chǎn)生是不切實(shí)際的。利用結(jié)構(gòu)緩沖工程策略，在晶格中的Cl^–浸出和電解質(zhì)中的Cl^–侵入之間取得平衡，可抑制嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損傷和催化劑失活。對(duì)于依賴*Cl覆蓋的機(jī)理，初始的*C₂H₄OH中間體主要是通過(guò)*OH參與乙烯的去質(zhì)子化反應(yīng)而在催化劑表面生成的。當(dāng)Cl^–濃度增加，且*Cl的覆蓋率高于*OH時(shí)，*C₂H₄OH有利于與*Cl成鍵生成2-氯乙醇。對(duì)于勢(shì)能依賴機(jī)制，乙烯可以在低電位與催化劑表面的*Cl反應(yīng)，也可以在高電位與Cl₂衍生的HClO反應(yīng)。

圖6. 有效利用海水中的Cl^–物種

2、海水電解系統(tǒng)創(chuàng)新

2.1、與電解槽耦合的海水反滲透

海水反滲透（RO）技術(shù)在海水凈化方面取得了重大進(jìn)展，從實(shí)際應(yīng)用角度來(lái)看，將天然海水凈化與商業(yè)質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽相結(jié)合的間接海水電解已成為熱門。PEM電解系統(tǒng)由電解槽堆和設(shè)備的機(jī)電平衡（BoP）組件組成。海水淡化系統(tǒng)包括反滲透裝置和必要的物理/化學(xué)預(yù)處理步驟，具體取決于原水的水質(zhì)。進(jìn)一步的研究表明，RO處理的海水的質(zhì)量不夠高，不能直接用于PEM電解槽，可能會(huì)毒害催化劑/電極或加速膜的降解這就需要采用更先進(jìn)的技術(shù)，因此低成本、高效的海水預(yù)處理系統(tǒng)仍需研究和開發(fā)。

圖7. 間接海水電解系統(tǒng)

2.2、集成式直接電解槽

濃度梯度允許水從外部溶液流向內(nèi)部溶液，并且可以通過(guò)內(nèi)部電解質(zhì)中的水分裂來(lái)維持，水的流入速率和消耗速率需要一致，但這種無(wú)隔膜水電解槽可能因氧氣和氫氣的混合而爆炸。FO或RO膜有利于阻止海水中的雜質(zhì)進(jìn)入內(nèi)部電解質(zhì)，但它們不是完全選擇性，不能防止氯化學(xué)和腐蝕。同時(shí)，這些電解槽設(shè)計(jì)在效率和規(guī)模方面仍然面臨挑戰(zhàn)。該技術(shù)具有對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施和資金需求低、效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、易于規(guī)?；蕊@著的固有優(yōu)勢(shì)，有望填補(bǔ)目前海洋綠色制氫的空白。工業(yè)規(guī)模的海水直接電解槽的設(shè)計(jì)要求：1）高選擇性陽(yáng)極電極，避免海水中鹵化物反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)和腐蝕；2）先進(jìn)的膜具有高耐腐蝕性、效率和穩(wěn)定性，避免海水中離子和雜質(zhì)的降解/失效；3）優(yōu)化的特性，包括高抗拉性，抗沖擊性和耐腐蝕性。

圖8. 直接海水電解的集成膜電解槽

總結(jié)展望

作者從材料工程和系統(tǒng)創(chuàng)新兩方面綜述了加快海水直接/間接電解效率和耐久性的最新進(jìn)展。無(wú)論是直接或間接的海水電解，還是低品位的水電解，在工業(yè)相關(guān)的電流密度下，開發(fā)具有高活性、高選擇性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的電催化劑是前提。存在問題及解決角度：

（1）即使采用各種策略設(shè)計(jì)高選擇性和耐用的海水電解陽(yáng)極催化劑，腐蝕效應(yīng)和競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)仍然是高電流密度下海水電解的主要挑戰(zhàn)。

（2）在設(shè)計(jì)陽(yáng)極催化劑時(shí)，考慮其在真實(shí)海水中的耐Br^–腐蝕和其他化學(xué)物質(zhì)的耐蝕性同樣重要。

（3）深入了解海水中可溶性離子和其他雜質(zhì)的降解機(jī)理，對(duì)于最大限度地提高催化劑/電極的活性和電解槽的使用壽命，降低運(yùn)營(yíng)成本至關(guān)重要。

（4）海水中的離子可使離子交換膜或水凈化膜失活，目前對(duì)設(shè)計(jì)良好的海水電解膜的研究有限。

（5）無(wú)論是分離式兩步法還是集成式電解槽，對(duì)海水凈化技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，都應(yīng)朝著更高效率、凈化水平、規(guī)模發(fā)展至關(guān)重要。

文獻(xiàn)信息

Materials Design and System Innovation for Direct and Indirect Seawater Electrolysis. ACS Nano, 2023, DOI: 10.1021/acsnano.3c08450.

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2023/11/27/81988d3cc2/

国产三级精品三级在线观看,国产高清无码在线观看,中文字幕日本人妻久久久免费,亚洲精品午夜无码电影网

清華張強(qiáng)/唐城，最新ACS Nano綜述！

相關(guān)推薦

清華張強(qiáng)/唐城，最新ACS Nano綜述！