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海南大学：海水电解催化剂

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2024-08-18 12:30

正文

文章题目：A comprehensive review on catalysts for seawater electrolysis

出版信息：Adv. Powder Mater. 3(2024)100227.

第一作者：李纪红

通信作者：李纪红，王同洲

本文系统地综述了影响催化剂稳定性的因素，重点介绍了提高海水电解催化剂稳定性的各种策略，旨在指导构建高性能的稳定催化剂。

文章摘要

海水电解是一种可持续的能源转换技术，通过分解海水生成氢气和氧气来产生清洁能源。然而，由于海水中高浓度的盐离子和杂质，海水电解催化剂常面临稳定性挑战。本综述旨在识别影响催化剂稳定性的关键因素，阐明腐蚀和电化学降解机制，并探讨增强催化剂稳定性的策略，包括材料选择、表面修饰、载体材料和不同的制备策略。通过深入了解这些挑战和创新，本综述力求加速该技术的商业化和广泛应用，使其成为可再生的制氢方法，最终通过高效持久的海水制氢过程，促进更清洁和可持续的未来。

研究背景

近年来，海水电解制氢技术取得了显著进展，展现出广阔的应用前景。海上氢能生产平台可作为能源储存或化工生产基地，将绿色能源与工业过程相结合，解决深海地区可再生能源利用的挑战。例如，谢和平院士团队在《自然》期刊上报道了一种高效的海水电解方法，无需脱盐、不产生副反应且无需额外能耗，从而降低了成本并避免了氯气副产物的环境影响。此外，大连化学物理研究所的王尔东团队开发了一种1Nm³/h的直接海水电解制氢装置，在连续运行2000小时后表现出稳定性和高效性，验证了其可行性。这些进展表明，海水制氢是一项重要的技术发展方向，具有良好的应用前景。

尽管如此，海水电解固有的恶劣条件对催化剂的稳定性和性能构成了巨大挑战。海水中的高盐度、碱性和腐蚀性物质会加速催化剂的腐蚀，影响其结构完整性和催化活性，从而降低电解过程的整体效率，增加操作成本。当前研究主要集中在开发具有优异稳定性和抗腐蚀性能的新型催化剂材料和结构，策略包括催化剂材料选择、表面修饰技术、催化剂载体材料和设计策略，以提高催化剂性能和稳定性。本综述旨在总结最新研究进展，识别影响催化剂稳定性的关键因素，并探讨提高催化剂稳定性的策略，助力实现海水电解技术的商业化和广泛应用。

创新点

（1）创新性地系统综述了影响海水电解催化剂稳定性的多种因素，并详细介绍了通过材料选择、表面修饰、载体材料、不同制备方案和操作条件优化等策略提高催化剂稳定性的前沿研究和应用实例。

（2）讨论了海水电解过程中可能面临的挑战和未来研究方向，为构建性能卓越的稳定催化剂提供了科学依据和新思路，吸引化学和材料科学领域的广泛关注。

文章概述

（1）催化剂稳定性的影响因素

图1 影响海水电解催化剂稳定性的因素

催化剂的稳定性受多种因素影响，包括海水腐蚀、电化学降解，以及pH值、温度和压力的变化。海水中的氯离子、氧气和微生物会导致催化剂的腐蚀，主要通过氯离子攻击、电子化学腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀和表面氧化等机制，影响催化剂的性能和寿命。此外，pH值的极端变化可能导致催化剂腐蚀或溶解，同时影响反应机制和质子、电子的转移速率。温度和压力的变化同样会影响催化剂的稳定性，改变反应动力学和表面性质。因此，优化这些环境条件对于提高催化剂的稳定性和性能至关重要。

（2）HER催化剂

在海水电解中，氢气析出反应（HER）催化剂面临高盐度及氯离子、钙离子和镁离子等的挑战。氯离子加速金属腐蚀，而钙离子和镁离子在电解过程中与碳酸根或氢氧根反应生成沉淀（如碳酸钙、碳酸镁、氢氧化钙和氢氧化镁），这些沉淀物会堵塞催化剂的活性位点，降低催化剂的效率和稳定性。为应对这些问题，需选择高活性、稳定性强且具备良好抗腐蚀和抗污垢能力的HER催化剂。在碱性环境（pH > 13）中，这些离子会完全沉淀并可被过滤，从而保障催化剂的长期稳定性和高效性。根本上，适用于碱性水电解的催化剂，如果表现出优异的耐腐蚀性，都是海水电解中有前景的候选材料。

（3）提高OER催化剂稳定性的策略

提高OER催化剂的稳定性是确保催化活性一致、避免催化剂失效和减少更换频率的关键。近年来，研究人员采用了多种策略来增强催化剂在严酷反应条件下的稳定性，这些策略包括材料选择与改性、表面工程、电催化剂支撑、电解质调控、操作条件优化及创新催化剂设计。例如，通过合金化、掺杂、使用混合金属氧化物和氢氧化物来增强耐腐蚀性，应用保护涂层和纳米结构表面防止催化剂降解，同时利用稳定的支撑材料和优化电解质pH值、控制电流密度等措施提升催化剂的效率。此外，核-壳层结构和新型催化剂如钙钛矿和尖晶石的开发也为提高催化剂性能提供了新途径。这些策略和技术的综合应用能够显著推动海水电解技术向高效、经济和环保方向发展。

（4）催化剂稳定性表征技术

催化剂稳定性的表征技术对评估其性能、耐久性和降解机制至关重要。主要技术包括：通过电化学阻抗谱（EIS）和动电位极化（PDP）测试催化剂在海水中的腐蚀抗性，使用扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）和原子力显微镜（AFM）分析催化剂表面的形貌和成分，结合拉曼光谱、飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）以及原位X射线衍射（XRD）探讨表面反应和结构变化。此外，长期稳定性测试通过加速老化模拟催化剂在海水中的长期暴露，改进加速老化协议，并结合原位监测技术提供实时降解信息。通过整合这些表征技术，为深入理解催化剂的稳定性，推动开发更耐用的催化材料，提升其在海洋环境中的应用性能。

启示

图2 海水电解的发展前景

尽管在海水电解方面已经取得了进步，但是设计长效稳定的海水电解催化剂仍迫在眉睫。未来的研究方向将包括深入理解海水电解的基本电化学过程，开发适用于海水电解的新型高活性和高稳定性催化剂材料，推进膜技术以提高电解效率和选择性，应用先进的原位和操作表征技术以实时监测催化剂行为，以及通过计算建模和模拟优化海水电解系统。

团队介绍

李纪红，通信作者，海南大学材料科学与工程学院副教授，博导。2021年获吉林大学博士学位，同年7月加入海南大学，入选海南省拔尖人才。主要研究方向为能源转换与催化材料、腐蚀电化学。以项目负责人身份主持国家自然科学基金、海南省高层次人才、重点实验室等科研项目6项。担任温州大学与Wiley出版社合办的高质量期刊《Carbon Neutralization》青年编委。目前以第一/通讯作者身份在Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Electrochem. Energy Rev., Appl. Catal., B, J. Mater. Chem. A, Mater. Today Energy等期刊发表论文12篇，获国家发明专利授权8项。

王同洲，通信作者，海南大学材料科学与工程学院副教授，海南省拔尖人才，博士研究生导师。2022年毕业于南开大学，获理学博士学位。主要从事能源转换与催化材料的研究，构建用于电解纯水、海水的高效能源转换器件。主持国家自然科学基金、海南省、重点实验室等项目7项。担任《eScience》、《Carbon Neutralization》、《Information ＆ Functional Materials》、《Exploration》青年编委。目前已在Angew. Chem. Int. Ed.（3篇）, eScience, Adv. Energy Mater., ACS Catal., ACS Nano, Electrochem. Energy Rev.等期刊发表国际高水平期刊论文40余篇，其中以第一或通讯作者身份发表19篇，ESI高被引论文4篇，热点论文1篇，他引2000余次，H-index为28。

邓意达，海南大学科学技术发展院院长、材料科学与工程学院教授，博导。主要研究方向为材料电化学与功能应用方面的研究。近5年以通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.等材料领域高水平期刊发表SCI论文50余篇，以第一发明人申请国家发明专利19项，已获授权6项，转让专利1项，合作出版中英文学术著作2部。

文章信息

Jihong Li, Genyuan Fu, Xiaokun Sheng, Guodong Li, Hui Chen, Kaiqian Shu, YanDong, Tongzhou Wang, Yida Deng. A comprehensive review on catalysts for seawater electrolysis. Adv. Powder Mater. 3(2024)100227.

https://doi.org/10.1016/j.apmate.2024.100227

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1-s2.0-S2772834X24000587-main.pdf

关于我们

Advanced Powder Materials（先进粉体材料（英文））创刊于2022年1月，由中南大学与KeAi合作创办，粉末冶金国家重点实验室和粉末冶金国家工程研究中心承办的粉体材料领域的学术期刊。主编是黄伯云院士和Chain-Tsuan Liu院士。致力于发表国内外粉体材料领域及其交叉学科具有原创性和重要性的最新研究成果。

l 坚持高质量办刊，审稿原则“高效、双盲、严格”

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