發(fā)展可再生能源電解水制氫技術(shù)是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)的重要路徑之一。海上可再生能源，如風(fēng)能、光伏、潮汐能等由于波動性強(qiáng)、環(huán)境苛刻使得其利用效率低，而“就地取材”，通過海上可再生能源進(jìn)行電解海水制氫，一方面是“綠氫”的廉價(jià)高效制取手段，另一方面也是海上可再生能源的高效利用手段。然而，海水中存在的大量氯離子會造成陽極材料的嚴(yán)重腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致電極損壞、電壓過高。如何延緩氯離子對陽極材料的腐蝕是海水電解制氫過程中需要解決的重點(diǎn)問題。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所氫能材料與應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室針對海水電解中陽極易受電解液腐蝕的關(guān)鍵科學(xué)問題，通過對電解液的調(diào)控，將海水電解制氫穩(wěn)定性提升了5倍。研究發(fā)現(xiàn)在電解液中加入硫酸鹽可以有效延緩氯離子對陽極的腐蝕，提升海水電解制氫過程中陽極的穩(wěn)定時(shí)長。研究人員以泡沫鎳作為陽極，用不同鹽濃度的電解液進(jìn)行測試，觀察到硫酸根的加入可以有效提高其耐腐蝕性，延長其在海水電解中的穩(wěn)定時(shí)長。通過對腐蝕電位、電流、電阻的分析，該研究確認(rèn)了硫酸根在防氯腐蝕方面的優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上，理論模擬和原位紅外、原位拉曼實(shí)驗(yàn)均證明，在反應(yīng)電位下，硫酸根作為強(qiáng)酸陰離子可以優(yōu)先吸附在陽極表面形成負(fù)電荷層，進(jìn)而通過靜電斥力排斥氯離子遠(yuǎn)離陽極表面，從而達(dá)到了延緩氯離子腐蝕陽極的效果。進(jìn)一步，以常規(guī)催化劑電極-鎳鐵水滑石陣列（NiFe-LDH/NF）作為陽極進(jìn)行海水電解制氫反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)硫酸根依然能大幅度提升其穩(wěn)定性。在添加硫酸根的電解質(zhì)中，NiFe-LDH/NF陽極在模擬海水和真實(shí)海水中400 mA cm-2電流下的穩(wěn)定時(shí)長分別為1000小時(shí)和500小時(shí)，是其在未添加硫酸根的傳統(tǒng)電解質(zhì)中穩(wěn)定時(shí)長的近6倍。
研究團(tuán)隊(duì)為解決海水電解制氫過程中氯離子對陽極的腐蝕問題提供了一種普適性的新策略，通過在電解液中添加硫酸根，擾亂電極表面的離子吸附量，使硫酸根優(yōu)先吸附在陽極表面，形成排斥氯離子的負(fù)電荷層，達(dá)到排斥氯離子及延緩氯離子對陽極腐蝕的效果。該工作以The Critical Role of Additive Sulfate for Stable Alkaline Seawater Oxidation on Ni-based Electrode為題發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition上。
該研究得到了寧波市“科技創(chuàng)新2025”重大專項(xiàng)、中科院“0～1”創(chuàng)新項(xiàng)目、博新計(jì)劃、寧波市自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國博士后科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金、上海市青年科技英才揚(yáng)帆計(jì)劃、上海交通大學(xué)海洋跨學(xué)科項(xiàng)目等的支持。
圖1 電解液中硫酸根防氯腐蝕作用及原理的探索
圖2 電極表面吸附硫酸根離子對氯離子排斥作用的分子動力學(xué)模擬
（來源：寧波材料技術(shù)與工程研究所）