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同离子效应实现连续海水电解

2021-02-16 15:24浏览数:260


       近期,北京化工大学孙晓明教授、邝允副教授与宁波材料所陆之毅研究员合作提出利用同离子效应降低电解液中饱和氯离子浓度,提高了海水电解稳定性,在工业电解电流密度下实现了连续化海水电解,并实现了氢气、氧气、盐三联产,为规模化碱性海水电解制氢技术的应用奠定了基础。相关文章以Common-Ion Effect Triggered Highly Sustained Seawater Electrolysiswith Additional NaCl Production为题,发表在Research(Volume2020 |Article ID 2872141)。

研究背景

       氢能是最具发展潜力的清洁能源之一。可再生能源耦合电解水制氢是一种可持续、无污染、高效的制氢方式。目前电解水制氢技术主要使用碱性电解系统和PEM电解系统,但是这两种技术路线都依赖高纯淡水作为水源。而地球上淡水资源仅占水资源总储量的2.53%,其中人类可以直接利用的淡水资源只占全球水资源的0.77%。电解水制氢技术的大面积推广会消耗大量的淡水,势必对人们赖以生存的淡水资源产生巨大的压力。然而,地球上海水资源丰富,储量占全球总水量的96.5%,电解海水制氢可以减少淡水资源的压力。随着海洋可再生能源发电技术(如海上风电、潮流能)的逐渐完善,利用海洋可再生能源发电再经过海水电解系统就地转化成氢气进行运输利用,有望成为一种高效的能源储存和利用的方式。但是海水中含有的氯离子使得海水电解制氢面临两个瓶颈问题:电解过程中析氧与析氯反应的竞争问题和电极的腐蚀问题。

       北京化工大学孙晓明教授、邝允副教授前期与美国斯坦福大学戴宏杰教授合作设计了一种金属硫化物和水滑石复合电极用于海水电解反应,在碱性条件下具有很好的耐氯离子腐蚀特性和催化选择性(PNAS, 2019, 116,6624-6629)。但是,在连续海水电解制氢系统中,随着电解反应过程中水的消耗和海水补充,电解液中NaCl浓度不断升高直至饱和(图1a,b),析氯和腐蚀倾向进一步加大。此时,即使用上述抗腐蚀、高选择性电极材料也很难在含有如此高的氯离子浓度的电解液中稳定工作,这就对稳定海水电解系统提出了更高的要求。

图1 同离子效应在海水电解过程中的作用

研究进展

       为解决电解液中氯化钠浓度升高至饱和造成的电极腐蚀与电解选择性的问题,北京化工大学孙晓明教授、邝允副教授课题组与宁波材料所陆之毅研究员课题组合作提出利用同离子效应降低电解液中饱和氯离子浓度。通过提高电解液中氢氧化钠浓度,一方面提高了碱性,促进了阳极析氧反应的进行,另一方面由于同离子效应,高的钠离子浓度降低了饱和氯离子浓度,将氯化钠的饱和溶解度从5.5 mol/L降低至2.8 mol/L(图1d),从而提高了电解系统的稳定性。由于氯化钠的溶解度低于氢氧化钠,在连续海水电解过程中,不断补充的去除钙镁离子的海水中的氯化钠将优先结晶析出,实现氢气、氧气、盐三联产(图1c)。

      本工作中,该研究团队还制备了一种可以在含有高浓度氯化钠的电解液中长时间稳定海水电解的NiCoFeP双功能催化剂。如图2所示,在6 M NaOH加饱和NaCl电解液中测试,该催化剂在100mA cm-2的电流密度下的析氢过电位和析氧过电位分别为129 mV和272 mV,法拉第效率接近100%,并且在200和500mA cm-2的电流密度下能稳定电解100小时,催化剂活性不发生明显衰减,具有很好的活性和稳定性。此外,该电极材料在电解过程中会生成磷酸盐保护层,保护电极免受氯离子进攻,表现出优异的抗腐蚀性。

图2 NiCoFeP双功能催化剂的性能

未来展望

       海水电解制氢技术可以减少可再生能源制氢对淡水资源的依赖,拓宽了电解水技术原料的来源。该团队的研究成果解决了连续海水电解过程中氯化钠浓度上升带来的NaCl结晶、析氯增强、电极腐蚀等一系列问题,设计了可连续工作的海水电解系统,实现了氢气、氧气、盐连续化三联产,对海水电解制氢技术的工业化应用具有重要意义。随着工业设计的跟进,此技术具有巨大的产业化应用潜力。