與較成熟的堿性電解(ALK)和質(zhì)子交換膜(PEM)技術(shù)相比，海水電解的大規(guī)模應(yīng)用仍然受到各種基本問題的制約。其中，催化劑的氯腐蝕被認(rèn)為是制約海水電解大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。
陽極的析氧反應(yīng)(OER)和析氯反應(yīng)(CER)之間存在強烈的競爭，CER的電位比OER高480 mV，這意味著CER的出現(xiàn)增加了陽極的能量消耗，這進一步增加了制氫成本。同時，由于反應(yīng)中間體(OOH*)的吸附較差，OER的實際優(yōu)先級可能被顛倒。這可能導(dǎo)致氯化物與催化劑結(jié)合，進一步產(chǎn)生氯鹽并從表面分離，導(dǎo)致電極失效。
值得注意的是，迄今為止報道的大多數(shù)催化劑只能在海水中承受500 mA cm-2的工業(yè)電流密度，并且它們很少能穩(wěn)定超過200小時。因此，合成高度穩(wěn)定和選擇性的制氫催化劑是推進海水電解發(fā)展的關(guān)鍵。
近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)周偉課題組采用硫脲和CoFe合金同時電活化的方法，成功地合成了SO42-插層的CoFe LDH催化劑(SO42-/CoFe LDH)，該催化劑在堿性海水中具有良好的催化活性、動力學(xué)性能和穩(wěn)定性。
實驗結(jié)果表明，SO42-/CoFe LDH催化劑在堿性鹽水中(1.0 M KOH +1.0 M NaCl)達到300 mA cm-2電流密度所需的OER過電位僅為294 mV，并且能夠在50-400 mA cm-2的多電流階躍實驗中(120小時)和i-t實驗中(100 mA cm-2，200小時)一直保持穩(wěn)定。
此外，以真實海水作為電解質(zhì)，基于SO42-/CoFe LDH的電解槽(Pt/C||SO42-/CoFe LDH)僅需1.791和1.871 V的電池電壓就能達到500和1000 mA cm-2的大電流，并能夠在500 mA cm-2下連續(xù)穩(wěn)定電解超過1000小時。
系統(tǒng)的表征和理論計算表明，SO42-/CoFe LDH的層間SO42-抑制了Co位點上產(chǎn)生電子空位，這不僅降低了反應(yīng)中間體OOH*的吸附強度，從而改善了OER的性能，而且抑制了Cl–的吸附，從而提高了OER的選擇性。
此外，采用Pt/C||SO42-/CoFe LDH電偶組裝的海水AEM電解槽在工業(yè)條件下獲得了高活性(2.264 V，500 mA cm-2)和高運行時間(150小時，500 mA cm-2)。并且該AEM電解槽在500 mA cm-2下的工作效率高達55%，每GGE H2的價格低至1.211美元。
綜上，該項研究以硫脲輔助電解為基礎(chǔ)，為LDH和陰離子的同時活化提供了新的策略，為設(shè)計具有優(yōu)良催化性能和長期耐久性的工業(yè)催化劑提供了指導(dǎo)。
Taking advantage of activation potential coincidence to unlock stable direct seawater splitting. Advanced Functional Materials, 2025. DOI: 10.1002/adfm.202419871
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