Nature子刊：构建钠离子导电不对称电解槽，实现低电压下海水直接电解

水电解是一种高效、可持续的生产高纯H₂的方法，然而目前的水电解槽使用的是高纯度去离子水，使得水电解槽的大规模应用受到限制。海水是地球上最重要的自然资源，约占地球总水量的96.5%，电解海水制氢显示出巨大的潜力。

然而，在海水电解过程中，阳极可能会发生析氯反应(2Cl^–→Cl₂+2e^–)和次氯酸盐的形成(Cl^–+ 2OH^–→ClO^–+H₂O+2e^–)，在没有缓冲液的中性介质中，析氢反应(HER)和OER反应动力学缓慢所造成的高能耗，以及其他离子如Ca²⁺和Mg²⁺可能发生沉淀并阻断催化活性位点。因此，有必要开发一种具有高效和强大催化剂的电解系统，从而抑制ClOR并实现低电压下的直接海水电解。

近日，华中科技大学李箐和王谭源等首次采用Na⁺交换膜作为隔膜，非晶态Ni-Fe-P NWs作为催化剂(PtSA-Ni_6.6Fe_0.4P₃和Ni₅Fe₂P₃NWs分别作为阳极和阴极)，研制了一种新型pH不对称的海水直接电解槽，用于高效节能的海水直接电解。Na⁺交换膜可以防止Cl⁻通过到达阳极，从而避免不必要的ClOR，同时可以通过阴极和阳极电解质之间的化学电位差以降低制氢成本。

同时，在多孔泡沫镍表面上的超亲水性PtSA-Ni_6.6Fe_0.4P₃催化剂使得气泡对材料的附着力较低，可使电极表面快速释放气泡，从而加速了传质过程。此外，该系统还大大缓解了海水电解过程中Mg²⁺和Ca²⁺沉淀的形成问题。

原位拉曼光谱和密度泛函理论(DFT)计算显示，PtSA-Ni_6.6Fe_0.4P₃(能垒从Pt的0.72 eV降低到0.46 eV)促进了水分解，从而减少了中性介质中HER的电化学极化。在1.31 V和1.46 V的低电压下，不对称电解槽的电流密度分别达到10 mA cm⁻²和100 mA cm⁻²；在80 °C和1.66 V低电压下，电流密度达到400 mA cm⁻²。

更重要的是，在单向流动方案中以100 mA cm⁻²电流密度运行时，输出阴极电解质的pH值可以维持在约8.5，并且具有稳定的电压响应。经过120小时的水分解试验，该电解槽达到100 mA cm⁻²电流密度所需的电压稍微增加，证明了该系统的优异耐久性。综上，该项工作为开发低能耗海水直接电解槽系统提供了一种有效设计思路。

A Sodium-ion-conducted Asymmetric Electrolyzer to Lower the Operation Voltage for Direct Seawater Electrolysis. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-39681-1

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Nature子刊：构建钠离子导电不对称电解槽，实现低电压下海水直接电解

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