近日，Nature子刊Nature Communications以“Energy-saving hydrogen production by chlorine-free hybrid seawater splitting coupling hydrazine degradation”为题刊载大连理工大学精细化工国家重点实验室、化工学院研究进展，报道了一种低能耗、阳极无氯腐蚀的混合海水电解制氢新技术。发展氢能经济是我国实现“碳达峰、碳中和”目标的必由之路，可再生能源驱动电解水是最具前景的低碳制氢技术方向之一，但水裂解反应的高理论电压（1.23 V）决定仅通过催化剂与电解工艺优化难以突破性降低制氢能耗与成本。
海水占地球水资源的97%以上，海域风力、太阳能等可再生能源丰沛，在实现大规模可再生能源电解水制氢方面具有得天独厚的优势。我国海洋国土面积约为300万平方公里，海岸线长达1.8万多千米，立足辽阔蓝色国土，发展高效的海水电解制氢技术对我国氢能经济发展、海洋资源开发利用与海洋国防事业意义重大。围绕这一目标，精细化工国家重点实验室王治宇、邱介山教授发展了利用光-物质相互作用、电极表面分子吸附优化、超亲水-超疏气界面等策略提升海水电解催化剂活性的新方法，获得质量比活性高于商业铂碳10 - 20倍、延长寿命60余倍的高活性海水电解催化剂（Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 9416；Adv. Mater.,2017, 29, 1700874；Adv. Energy Mater., 2019, 9, 1901333；Adv. Funct. Mater., 2020, 1910028；ACS Nano, 2018, 12, 8017；Nano Energy, 2018, 44, 181；Nano Energy, 2019, 63, 103880）。
混合海水电解反应体系示意图，本技术能耗低于碱性电解水技术40-50%，碳排放量比天然气重整制氢技术降低90%。
在此基础上，研究团队将全电解水反应解耦，在阳极利用肼氧化反应取代高能耗的水氧化过程，在大幅度降低海水电解制氢能耗的同时，高效处理含肼工业废水并拉低制氢成本。这一技术在500 mA cm-2工业电流密度下，电解池效率为60–65%时，电解碱性海水仅需1.0 V电压，能耗低达2.75 kWh m-3H2，产氢速率为9.2 mol h–1gcat–1，且无阳极腐蚀。本技术适用于海水、工业废水等，与商业化碱性电解水技术相比，能耗降低40–50%，碳排放量比天然气重整制氢技术降低90%以上。
可再生能源驱动的海水电解制氢-含肼工业废水处理联用工艺（上图）。肼燃料电池或太阳能电池驱动的海水电解制氢-肼降解双功能反应池（下图）。
该技术还可实现水体中剧毒肼污染物的同步快速降解，处理后肼残留值（3 ppb）远低于美国环保署饮用水标准（10 ppb），在高效制氢的同时，净化生态环境。这一技术可与燃料电池或太阳能电池结合，无需供电即可电解海水制氢，在AM 1.5G、100 mW cm-2阳光辐照下，产氢速率可达6.0 mol h–1gcat–1，为发展低能耗、高经济和生态可持续性的低碳制氢技术方法提供了新的思路。
文章第一作者为精细化工国家重点实验室、化工学院博士研究生孙富，通讯作者为精细化工国家重点实验室、化工学院王治宇、邱介山教授及北京化工大学孙晓明教授。
工作得到了国家自然科学基金委、辽宁省科技厅、大连市科技局和学校的共同资助支持。
来源：大连理工大学
文章地址：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-24529-3
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