（通讯员 石灏）7月4日，《自然·通讯》（Nature Communications）在线刊发我校材料学院李箐教授、王谭源副教授团队的研究成果：一种钠离子导通的不对称电解槽用于降低直接电解海水制氢工作电压“A sodium-ion-conducted asymmetric electrolyzer to lower the operation voltage for direct seawater electrolysis”。材料学院2020级硕士生石灏为论文第一作者，李箐教授和王谭源副教授为论文共同通讯作者，华中科技大学材料科学与工程学院、材料成形与模具技术国家重点实验室为第一完成单位及第一通讯单位，材料学院黄云辉教授、中国科学院物理研究所的苏东研究员以及以色列Bar-Ilan University的Lior Elbaz教授等对该工作的材料表征和数据分析提供了大力支持。该研究得到了国家自然科学基金优秀青年基金、国家重点研发计划等项目的支持。
清洁制氢是实现双碳目标的有效途径，直接海水电解制氢可以充分利用海水资源以及海边富余的风能、太阳能。但是其面临许多挑战，包括高能耗、Cl-引起的腐蚀以及Ca2+/Mg2+沉淀物对活性位点的堵塞。因此，迫切需要开发一种具有高效稳定催化剂的电解海水体系，来抑制Cl-腐蚀并实现低电压下的直接海水电解制氢。
团队设计了一种Na+交换膜分隔的pH不对称电解槽，Na+交换膜可以阻止天然海水中的Cl-向阳极运输，从而避免了竞争性的Cl-氧化。在接近中性的海水（pH<9.5）和流动电解质中，Ca2+和Mg2+沉淀物的问题将得到缓解。此外，在这个体系中阴阳极不对称pH值电解质之间的化学势差可以用来降低直接电解海水所需的整体电压。
图1. 不对称电解槽原理示意图。
基于调整催化反应路径，促进氢脱附的思路，该团队设计了无定形NiFeP负载的单原子Pt催化剂来提升其在海水氢析出反应的性能。将该催化剂应用于不对称电解槽中，电解海水制氢的能源成本大幅降低。该不对称电解器在电流密度100 mA cm-2时电压仅为1.46 V，是目前性能最好的直接海水电解装置之一。此外，在400 mA cm-2，80°C的工条件下，电压仅为1.66 V，生产每立方米H2对应的电能为3.96 kW h，低于我国科技部4.30 kW h Nm-3的指标。其对应电力成本为每公斤H2 1.36美元，也低于美国能源部（DOE）2025年每公斤H2 1.4美元的目标。
图2. PtSA-NiFeP及不对称电解槽的性能图。
该报道通过原位拉曼光谱表明，水分子是PtSA-NiFeP催化剂表面第一步应物，PtSA-NiFeP促进了水分子在催化剂表面解离，随后产生的吸附氢在单原子Pt表面加速脱氢，从而促进了氢析出活性。密度泛函理论表明， PtSA-NiFeP具有最低的水解离（决速步）能垒（0.46 eV）这表明PtSA-NiFeP可以促进水的解离，这与原位拉曼光谱的结果一致。此外， 其H*脱附自由能（0.10 eV）更接近于零，表明H*的解吸更快。较低的水解离能垒和较快的H*脱附是PtSA-NiFeP具有优异氢析出活性的原因，这也验证了该催化剂的设计思路。
图3. 原位拉曼光谱以及密度泛函理论计算。
该团队研究成果将宏观电解体系设计及微观催化路径调控相结合，为低能源成本直接海水电解制氢提供了高效的电解槽结构和催化剂设计方案。
来源： 华中科技大学材料科学与工程学院
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