可再生電能驅(qū)動(dòng)的水分解是一種綠色可持續(xù)的制氫策略。然而，該技術(shù)主要依賴于高純度水作為原材料，實(shí)現(xiàn)商業(yè)規(guī)模的電催化水分解仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。相比之下，直接海水分解引起了人們廣泛的關(guān)注，被認(rèn)為是可行的，具有成本效益的氫氣生產(chǎn)策略。

目前，人們對(duì)低鹽濃度(約0.6 M NaCl)和堿性電解質(zhì)的海水中進(jìn)行了研究，開(kāi)發(fā)了各種析氧反應(yīng)(OER)電催化劑。然而，由于氯離子(Cl^?)對(duì)催化電極的腐蝕作用，OER催化劑在海水電解質(zhì)中的活性迅速降低。另外，在OER過(guò)程中，隨著海水的消耗，Cl^?濃度成比例上升。Cl^?的增加會(huì)阻礙催化劑的活性位點(diǎn)，減少催化劑表面水分子或氫氧化物離子的數(shù)量，從而導(dǎo)致催化性能的下降。因此，開(kāi)發(fā)一種在高鹽度海水中表現(xiàn)出高活性和穩(wěn)定性的催化劑對(duì)于成功實(shí)現(xiàn)大規(guī)模海水分解過(guò)程至關(guān)重要。

近日，中國(guó)科學(xué)院贛江創(chuàng)新研究院黃小磊、香港理工大學(xué)楊明和西北工業(yè)大學(xué)劉旭慶等制備了Fe含量約為6 mol%的Fe-NiO_xH_y/CC催化劑，其表現(xiàn)出優(yōu)異的海水氧化性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在1.0 M KOH溶液中，F(xiàn)e-NiO_xH_y/CC催化劑在10 mA cm^?2電流密度下的OER過(guò)電位僅為201 mV，并且該催化劑在含有0.6 M、2 M和飽和的NaCl溶液中10 mA cm^?2下的OER過(guò)電位分別為202、208和206 mV，表明Cl^?不會(huì)影響Fe-NiO_xH_y/CC催化劑的活性。

此外，F(xiàn)e-NiO_xH_y/CC催化劑在飽和堿性海水電解質(zhì)中可以連續(xù)運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)100小時(shí)，證明其優(yōu)異的海水氧化穩(wěn)定性。

各種實(shí)驗(yàn)表征和密度泛函理論(DFT)計(jì)算表明，與純NiOOH和FeOOH相比，F(xiàn)e-NiO_xH_y/CC對(duì)OER和Cl*中間體具有低的過(guò)電位和中等的吸附能力，表明Ni-Fe橋位點(diǎn)有利于降低催化劑的OER過(guò)電位，F(xiàn)e的引入緩和了Cl^?的吸附能，從而使Fe-NiO_xH_y/CC在堿性電解質(zhì)中(NaCl濃度從0 M到飽和狀態(tài))具有較高的催化活性。

總的來(lái)說(shuō)，該項(xiàng)工作為合理設(shè)計(jì)海水電解過(guò)程中的高效穩(wěn)定的OER催化劑提供了指導(dǎo)，這有助于推動(dòng)海水分解技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。

Stable seawater oxidation at high-salinity conditions promoted by low iron-doped non-noble-metal electrocatalysts. ACS Catalysis, 2023. DOI: 10.1021/acscatal.3c03528