氯氣是現代工業的基礎化學品，每年全球消耗量達數千萬噸。其中，超過95%的氯氣通過電解含氯鹽水生產，這一過程每年消耗約100—200TWh電力。值得注意的是，氯氣生產的核心要素：能量和氯離子，廣泛存在于海水、海水淡化廢水、工業廢酸和制藥廢水等鹽水中。這些鹽水中高濃度的氯離子在排入低鹽度水體時會產生顯著的滲透勢，該能量可被捕獲用于發電。
基于此，中國科學院青島生物能源與過程研究所研究團隊提出廢水無能耗生產氯氣的方法，利用氯化物鹽水中的固有滲透能和氯離子，自發生產氯氣。該方法無需外部能源輸入，同時可回收酸并副產氫氣，有望大幅降低氯氣生產的碳足跡和成本。
為確保回收酸的純度并抑制電極上金屬離子的還原副反應，研究團隊開發了磺化共價有機框架（COF）膜，該膜材料具有豐富的磺酸基團，能借助水分子形成氫鍵網絡，實現質子快速傳輸的同時，有效阻隔重金屬離子和有機污染物。
為維持系統連續運行，氯離子和質子必須以相同速率從廢酸傳輸到回收酸中，但不能同時通過膜以避免抵消離子電流。研究團隊采取分離傳輸方式，氯離子通過Ag/AgCl電極可逆電化學反應有效傳輸，而膜僅允許質子通過。這種方式使氯離子反應產生的氧化還原電位，與質子選擇性擴散形成的擴散電位相疊加，顯著提升了系統的發電性能，并加快了質子與氯離子的傳輸。
滲透能捕獲性能直接決定了氯氣生產的效率，研究人員還系統探究了在不同濃度梯度下系統的滲透能捕獲能力。在10倍的濃度梯度下，輸出功率密度峰值可達55Wm-2，遠高于先前的膜材料，且該性能可穩定維持超過15天無明顯衰減。即使在模擬廢酸中加入高濃度的重金屬離子和有機污染物，磺化COF膜仍展現出卓越的抗污染能力和極低的金屬離子滲透率。
通過串聯多組發電單元構建裝置，研究團隊實現了氯氣和氫氣的自發生產。采用18組單元串聯裝置時，氫氣和氯氣的產率均能夠超過150Lm-2h-1，并可穩定運行至少7天。與傳統電解工藝相比，該系統無需外部電力輸入，大幅降低了氯氣生產的碳排放和成本。該方法具有良好的適用性，已在模擬脫鹽廢水中驗證氯氣生產，并有望擴展至硝酸鹽廢水，實現氨氣等其他關鍵化學品的自發生產。
相關研究成果以Spontaneous chlorine production from chloride-containing brines為題，發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家自然科學基金、山東省自然科學基金以及山東省重點研發計劃等的支持。