【儀表網 研發快訊】近日，我校能源科學與工程學院高繼慧教授團隊周偉教授在海水電解制氫界面斥氯機制研究中取得新進展，首次揭示了陽極界面陰離子(SO42-/CO32-)在選擇性催化析氧反應(OER)中的重要作用，并提出由其主導形成的氫鍵網絡對OH-和Cl-的選擇性傳質新機制，為發展高效高穩定海水直接電解制氫技術提供了新思路。研究成果以《界面氫鍵網絡誘導OH-/Cl-篩分實現2.0 A·cm-2下穩定海水電解》(Hydrogen-Bond Network Sieve Enables Selective OH-/Cl- Discrimination for Stable Seawater Splitting at 2.0 A·cm-2)為題發表在《能源與環境科學》(Energy & Environmental Science)上。
海水直接電解制氫技術是我國深遠海風電破局的關鍵，也是拓寬氫源供應渠道、解決電解制氫高純水依賴性的重要技術路線，但陽極材料易遭受氯離子帶來的腐蝕，向電解質中引入陰離子可有效緩解腐蝕強度和速率。然而，當前研究普遍認為抑制Cl-的機制為靜電排斥作用，即雙電層內的高價陰離子通過庫侖力排斥Cl-，同時允許OH-傳輸。這種靜電排斥機制將界面水視為被動介質，忽略了其動態分子行為。更關鍵的是，這種機制無法解釋“OH-和Cl-帶有同種電荷但僅有Cl-被排斥”的實驗現象。
本研究通過結合AIMD模擬和原位拉曼光譜，證明含氧陰離子強化了陽極界面的氫鍵網絡，在調控OH-選擇性傳質的同時，降低Cl-的氫鍵強度進而實現動力學排斥。基于此發現，通過SO42-/CO32-電解質工程設計了一種界面緩沖層：SO42-增強氫鍵網絡剛性并實現Cl-排斥，而CO32-作為高效OH-泵來緩解高電流密度下的界面反應物消耗。這種協同作用使得常規催化材料CoFe LDH在陰離子交換膜電解槽中實現了高活性(1.808 V@300 mA·cm-2)和優異穩定性(550h@2.0 A·cm-2)，對應制氫電耗為4.85 kWh·Nm-3(H2)。本研究所提出的氫鍵主導的離子篩分機制，解決了長期存在的實驗現象與理論的沖突，為設計海水直接電解制氫催化劑及工藝路線提供了關鍵依據。
在前期工作中，團隊通過調控催化劑活性位點的配位結構以及催化劑激活形式，實現了千小時大電流下穩定海水電解制氫。研究團隊目前正在推動該催化體系在10kW級原型系統上的應用。前期相關成果發表在《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)、《ACS催化》(ACS Catalysis)、《ACS可持續化學工程》(ACS Sustainable Chemistry & Engineering)等期刊，獲得國內外同行的廣泛關注。
圖1 SO42-/CO32-強化界面氫鍵以及OH-/Cl-篩分機制結果圖
圖2 SO42-/CO32-強化界面氫鍵以及OH-/Cl-篩分機制示意圖
哈工大能源科學與工程學院為論文唯一通訊單位。能源科學與工程學院博士研究生于洋為論文第一作者，周偉教授為論文通訊作者，博士研究生周曉涵、張學偉、薛乃源、陳英健和碩士研究生袁駿舒，李旭函助理研究員、孫飛教授、孟曉曉副教授、趙廣播教授、高繼慧教授以及濟南大學博士后夏霄，山東大學碩士研究生谷夢瑤、陳娟副研究員，國能臺山電廠王星星參與相關研究工作。該研究獲得國家自然科學基金重點項目、黑龍江省揭榜掛帥科技攻關項目的支持。
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