宁波材料所在碱性海水电解制氢长寿命、耐腐蚀阳极方面取得重要进展

　　通过电解水制取绿氢能实现零碳排放，是推动“碳达峰、碳中和”进程的重要策略之一。电解水技术高度依赖稀缺的纯水资源，限制了其进一步的发展。海水作为世界上储量最丰富的水资源，将其作为电解制氢的原料替代纯水，能够拓宽电解水的水质要求，从而解决电解水的水源问题。然而，海水体系中大量的氯离子会对阳极造成严重腐蚀，降低阳极及电解槽的使用寿命。以往的研究表明，通过电极表面吸附氧阴离子(硫酸根、磷酸根、硝酸根等)来排斥氯离子，可提高阳极寿命(约1000小时)，但仍无法满足工业化需求。
 

　　中国科学院宁波材料技术与工程研究所氢能与储能材料技术实验室陆之毅研究员与陈亮研究员共同合作，基于前期对海水电解制氢阳极稳定性的研究(Research 2020, 2020, 2872141; Angew. Chem. Int. Edit. 2021, 60, 22740；Adv. Mater. 2024, 36, 2306062)，在海水电解制氢阳极稳定性研究方面取得了新的进展。该团队设计了一种新型化学固定硫酸根的电极，在反应过程中原位构筑硫酸根斥氯层，从而实现10000小时稳定碱性海水电解制氢。催化剂在合成过程中掺杂原子级分散的钡离子，并在其反应过程中生成硫酸钡从而将硫酸根均匀固定在电极表面，并配合电极表面电性吸附的硫酸根，共同构筑排氯层，从而显著提高了海水电解中阳极的稳定性。实验结果表明，经过优化的NiFeBa层状氢氧化物(LDH)电极在1 M NaOH + 0.5 M NaCl + 0.05 M Na2SO4或1 M NaOH + 海水 + 0.05 M Na2SO4电解液中以400 mA cm-2的电流密度工作时，均可以实现超过10000小时的稳定性。理论模拟和实验结果证实了在阳极表面原位形成的BaSO4配合电性吸附的硫酸根可以显著降低阳极表面附近的游离Cl-浓度。此外，团队对该电极进行尺寸放大，并在千瓦级海水电解制氢测试平台中得到验证。这项研究解决了碱性海水电解制氢技术中阳极寿命受限的重要问题，为其商业化应用提供了新的可能性。
 

　　该项研究成果设计了一种具有超长寿命的阳极，将大大加快碱性海水电解技术在工业规模上的商业化进程。相关工作以 “Stable Seawater Electrolysis over 10,000 Hours via Chemical Fixation of Sulfate on NiFeBa-LDH”  为题发表在国际知名期刊Advanced Materials上。
 

　　该研究得到了国家重点研发计划(2023YFB4005100)、宁波市“甬江引才工程”科技创新/创新团队(2021A-036-B)、宁波市科技创新2025重大专项计划项目(2022Z205)、国家基金委青年基金(52201285)等项目的支持。
 

　　图1  (a-c) NiFe-LDH和NFB-LDH在碱性电解液和海水中的活性和耐腐蚀性；(d-f) NiFe-LDH和NFB-LDH在不同电解液中的稳定性
 

　　图2 (a-b) NFB-LDH放大电极及电解槽示意图；(c) NFB-LDH放大电极在1kW电解槽中能耗及稳定性