2024年10月15日，謝和平院士團隊以深圳大學和四川大學共建的深地工程智能建造與安全運維全國重點實驗室為第一單位，在Nature Communications上發(fā)表題為“Redox-mediateddecoupledseawaterdirectsplitting for H2production”的研究成果。這是謝和平院士繼海水直接電解制氫Nature正刊后，在該領域的第二篇Nature子刊。
不同于2022年11月謝和平院士團隊Nature正刊上提出的相變遷移海水直接電解制氫顛覆性原理技術，該研究是謝和平院士團隊圍繞海水中的氯離子引發(fā)副反應和電極腐蝕現(xiàn)象，提出的另一種新的解耦式海水直接電解制氫策略。論文系統(tǒng)研究了鐵氰酸根/亞鐵氰酸根電對([Fe(CN)6]3?/4?)在真實海水體系下可逆氧化還原特性，探明了電解系統(tǒng)陰極析氫反應與陽極亞鐵氰酸根氧化反應的高效性，厘清了解耦體系下氧氣自發(fā)穩(wěn)定產出的反應機理，實現(xiàn)了全新系統(tǒng)在真實海水環(huán)境下250小時的長時間穩(wěn)定。該項原理技術巧妙規(guī)避了海水中氯離子對電解制氫反應的干擾，充分驗證了解耦式海水直接電解制氫系統(tǒng)在復雜海水環(huán)境下的抗腐蝕性與對氯離子副反應的應用潛力，將有助于豐富和進一步構建破解海水復雜成分影響的海水電解制氫理論體系和技術框架。
圖一：解耦式海水直接電解制氫策略
該研究針對海水制氫中最棘手的氯離子干擾難題，引入氧化還原介導的解耦策略，利用兼具熱力學和動力學優(yōu)勢的陽極反應，巧妙規(guī)避了傳統(tǒng)電解水制氫過程中析氧反應與氯離子反應的直接競爭，大幅降低了電化學腐蝕。在該研究中，[Fe(CN)6]3?/4?電對在海水中不僅保持了優(yōu)異的可逆氧化還原動力學特性，而且在200 mA cm?2的接近工業(yè)級電流密度下實現(xiàn)了超過250小時的長時間穩(wěn)定運行。
圖二：Fe(CN)6]3?/4?電對在海水中的氧化還原性能
圖三：解耦式海水直接電解制氫系統(tǒng)及電解制氫效果
海水電解制氫是未來能源體系的重要發(fā)展路徑。傳統(tǒng)海水間接制氫技術先淡化后制氫，依賴復雜的海水淡化工藝和設備，占用面積大、投資成本和工程難度高。自20世紀70年代初期，科學界便開始探索海水直接電解制氫的可能性。在過去幾十年中，包括美國斯坦福大學、法國國家科學研究中心、澳大利亞阿德萊德大學、中國科學院在內的多個國際知名研究機構，通過催化劑設計、膜材料科學等策略，對海水直接電解制氫中的氯離子干擾、鈣鎂鹽沉淀以及催化劑失活等關鍵難題進行了深入研究。
2022年11月，謝和平院士團隊通過將分子擴散、界面相平衡等物理力學過程與電化學反應結合，創(chuàng)新提出了相變遷移海水直接電解制氫全新路徑，從根本上破解了海水直接電解制氫的難點和瓶頸，成果發(fā)表于Nature（Nature, 2022, 612(7941): 673-678），并入選“2022年度中國科學十大進展”。2023年5月，謝和平院士團隊與東方電氣集團聯(lián)合開發(fā)了漂浮式制氫系統(tǒng)“東福一號”，在3～8級大風、0.3～0.9米海浪條件下穩(wěn)定運行，打造了全球首個海上風電海水無淡化原位直接電解制氫示范（Nature Communications, 2024, 15(1): 5305），首次驗證了在海洋復雜荷載環(huán)境下的海水無淡化原位直接電解制氫可行性，構建了與再生能源相結合的一體化海水直接制氫全新模式，是目前全球唯一的漂浮式海上直接電解制氫示范案例，也標志著謝和平院士團隊世界獨創(chuàng)、完全自主研發(fā)的全新原理新技術正在快速邁向產業(yè)化。
解耦式海水直接電解制氫原理及策略開發(fā)進一步拓寬了謝和平院士團隊海水無淡化原位直接電解制氫全新原理技術體系，豐富和進一步完善構建了破解海水復雜成分影響的海水電解制氫理論體系和技術框架，為海水直接電解制氫的產業(yè)化發(fā)展提供理論指導！
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53335-w
