新策略10倍提升海水制氫經濟效益

近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所氫能與儲能材料技術實驗室研究員陸之毅帶領的電化學環境催化團隊，通過在兩個固體之間引入致密的水合層，使得用于原位海水電解的陰極具有了疏固特性，在天然海水直接電解制氫研究方面取得了新的進展。該成果日前發表于《納米快訊》期刊。

行之有效的海水電解

發展可再生能源電解水制氫技術，是實現“碳達峰碳中和”目標的重要途徑之一。

全球范圍海洋可再生能源發展迅猛，至2025年，海上風電裝機總量可達到約100GW。

海水電解以每千克氫氣2～3美元的低成本進行可再生氫制取，有望解決深遠海可再生能源消納需求。那么，免除裝載、存儲、運輸的原位直接海水電解，因無需對海水進行處理，有望成為最為行之有效的海水電解技術路線之一。

但相對于以副產物形式制備的灰氫與藍氫，電解海水制綠氫的成本仍居高不下——灰氫由碳基能源制成，在制備過程中排放二氧化碳；藍氫以灰氫為基礎提煉而來，其生產過程中產生的二氧化碳并不直接進入大氣，而是通過捕獲技術被儲存起來；綠氫通過水電解和可再生能源制備，但又受可再生能源和水電解槽技術限制。

如果能夠有效利用海水中的大量礦產資源，在提礦的同時制綠氫，勢必能夠大幅度降低綠氫制取成本。

水分子致密層

然而，原位海水制氫存在一個不可回避的問題。

海水中大量的鎂鈣離子，在氫氧化物被提取出的同時也會附著在陰極表面，阻礙電極與反應物接觸，從而導致電極損傷并提高能耗。

基于此，寧波材料所電化學環境催化團隊受到前期對堿性海水電解研究的啟發，提出了一種疏固策略，通過提升電極材料表面能進而增加電極表面的吸附水，較完整的水層（氫鍵網絡）使得鎂離子難以穿越到電極表面成核生長，這使得電極表面獲得了疏固的特性，有效緩解了電極表面的結垢問題。

論文通訊作者陸之毅向《中國科學報》解讀成果時介紹，為了減弱海水電解固體產物與電極表面之間的相互作用，他們提出通過在兩個固體之間引入由水分子組成的致密層，以產生特定于水的額外斥力，從而實現原位海水電解陰極的疏固特性。

海水提鎂制氫工業進程提速

研究人員選擇了工業應用最為廣泛的鎳網作為研究對象，因為鎳金屬在中性和堿性環境中均具有優異的析氫活性。在實驗中，他們通過調節電沉積和隨后的熱處理參數，可以合成具有高表面無序度的鎳銅合金電極（NiCu alloy），且高無序度的電極具有較高的表面能。

直接海水電解陰極示意圖。課題組供圖

實驗結果表明，具有高表面能的鎳銅合金電極，能夠在鎂鈣離子濃度10倍于海水的溶液中，穩定運行超過1000小時，并持續產出小粒徑、純度超過99%的高純氫氧化鎂。

科研人員通過理論模擬和實驗驗證，證實了電極表面的吸附水，能夠有效阻礙鎂離子穿越到電極表面成核生長。

此外，基于氫氣、氫氧化鎂雙產物經濟效益方面的優勢，該技術路線相對于傳統電解海水制氫，經濟效益能夠提升約10倍。

陸之毅表示，這項研究解決了天然海水直接電解制氫技術中的重要問題，提出了一條天然海水直接電解制氫的新路線，將革命性地簡化現有的海水電解技術。同時，考慮到“雙產物”帶來的高經濟效益，該路線將大大加快海水提鎂制氫技術在工業規模上的商業化進程。

相關論文信息：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01484