寧波材料所在堿性海水電解制氫長(zhǎng)壽命、耐腐蝕陽極方面取得重要進(jìn)展

　　通過電解水制取綠氫能實(shí)現(xiàn)零碳排放，是推動(dòng)“碳達(dá)峰、碳中和”進(jìn)程的重要策略之一。電解水技術(shù)高度依賴稀缺的純水資源，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。海水作為世界上儲(chǔ)量最豐富的水資源，將其作為電解制氫的原料替代純水，能夠拓寬電解水的水質(zhì)要求，從而解決電解水的水源問題。然而，海水體系中大量的氯離子會(huì)對(duì)陽極造成嚴(yán)重腐蝕，降低陽極及電解槽的使用壽命。以往的研究表明，通過電極表面吸附氧陰離子(硫酸根、磷酸根、硝酸根等)來排斥氯離子，可提高陽極壽命(約1000小時(shí))，但仍無法滿足工業(yè)化需求。
 

　　中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所氫能與儲(chǔ)能材料技術(shù)實(shí)驗(yàn)室陸之毅研究員與陳亮研究員共同合作，基于前期對(duì)海水電解制氫陽極穩(wěn)定性的研究(Research 2020, 2020, 2872141; Angew. Chem. Int. Edit. 2021, 60, 22740；Adv. Mater. 2024, 36, 2306062)，在海水電解制氫陽極穩(wěn)定性研究方面取得了新的進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型化學(xué)固定硫酸根的電極，在反應(yīng)過程中原位構(gòu)筑硫酸根斥氯層，從而實(shí)現(xiàn)10000小時(shí)穩(wěn)定堿性海水電解制氫。催化劑在合成過程中摻雜原子級(jí)分散的鋇離子，并在其反應(yīng)過程中生成硫酸鋇從而將硫酸根均勻固定在電極表面，并配合電極表面電性吸附的硫酸根，共同構(gòu)筑排氯層，從而顯著提高了海水電解中陽極的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化的NiFeBa層狀氫氧化物(LDH)電極在1 M NaOH + 0.5 M NaCl + 0.05 M Na2SO4或1 M NaOH + 海水 + 0.05 M Na2SO4電解液中以400 mA cm-2的電流密度工作時(shí)，均可以實(shí)現(xiàn)超過10000小時(shí)的穩(wěn)定性。理論模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了在陽極表面原位形成的BaSO4配合電性吸附的硫酸根可以顯著降低陽極表面附近的游離Cl-濃度。此外，團(tuán)隊(duì)對(duì)該電極進(jìn)行尺寸放大，并在千瓦級(jí)海水電解制氫測(cè)試平臺(tái)中得到驗(yàn)證。這項(xiàng)研究解決了堿性海水電解制氫技術(shù)中陽極壽命受限的重要問題，為其商業(yè)化應(yīng)用提供了新的可能性。
 

　　該項(xiàng)研究成果設(shè)計(jì)了一種具有超長(zhǎng)壽命的陽極，將大大加快堿性海水電解技術(shù)在工業(yè)規(guī)模上的商業(yè)化進(jìn)程。相關(guān)工作以 “Stable Seawater Electrolysis over 10,000 Hours via Chemical Fixation of Sulfate on NiFeBa-LDH”  為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊Advanced Materials上。
 

　　該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2023YFB4005100)、寧波市“甬江引才工程”科技創(chuàng)新/創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(2021A-036-B)、寧波市科技創(chuàng)新2025重大專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目(2022Z205)、國(guó)家基金委青年基金(52201285)等項(xiàng)目的支持。
 

　　圖1  (a-c) NiFe-LDH和NFB-LDH在堿性電解液和海水中的活性和耐腐蝕性；(d-f) NiFe-LDH和NFB-LDH在不同電解液中的穩(wěn)定性
 

　　圖2 (a-b) NFB-LDH放大電極及電解槽示意圖；(c) NFB-LDH放大電極在1kW電解槽中能耗及穩(wěn)定性