今天，小沙将和大家一起解读一篇Nat.Rev.Mater.上发表的关于直接海水电解制氢的综述文章，一起来听听吧~
研究背景
氢被认为是“世界上最清洁的能源”，在能源脱碳中扮演着关键角色，全球对氢的需求量正在迅速增长。水电解是生产绿色氢气的可持续方法，但大规模水电解会消耗大量稀缺的淡水资源。因此，直接电解海水（DSE）被提出作为一种可持续的绿色制氢技术，利用地球上储量丰富的海水缓解淡水资源压力。
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图 电解质、电极、膜和电解槽设计之间的相互作用
关键问题
当前，直接电解海水（DSE）技术仍处于起步阶段，面临多重挑战。主要的关键问题包括：
- 腐蚀、氯相关副反应及金属沉淀导致催化活性差和寿命有限
海水中复杂的离子组成（如Cl−、Mg2+、Ca2+）会引起电极、膜和电解槽的腐蚀、副反应（如氯气析出反应ClER）和降解。 - 缺乏可扩展、低成本、高效的系统以适应实际操作条件
目前的DSE系统在长期稳定性、材料选择以及在复杂高盐度条件下的运行寿命方面仍存在瓶颈。 
图 海水电解质对DSE系统的挑战
本文创新
为了应对上述挑战，本文提供了一篇关于直接电解海水制氢（DSE）技术的全面综述和批判性讨论。核心创新策略在于从四个关键方面——海水电解液、催化剂、膜和电解槽——系统地探讨当前挑战及潜在解决方案。 主要发现和价值体现：
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文章深入分析了海水中杂质离子带来的挑战与机遇，并探讨了改善DSE性能的潜在海水处理方案。 -
总结并提出了设计高效析氢反应（HER）和析氧反应（OER）催化剂的有效策略。 -
阐述了DSE中膜的最新进展和挑战，包括膜降解机制及其缓解策略。 -
批判性地回顾并讨论了传统和新型电解槽的优缺点及挑战。 -
重要的是，本综述强调了如何进一步优化策略和解决方案，以应对真实操作条件下的DSE降解和腐蚀问题，为未来的研究提供了指导。 -
文章最后讨论了DSE技术大规模应用面临的未来挑战和前景。 通过提供对电解液、电催化剂、膜和电解槽合理设计的指导和新见解，本研究旨在推动DSE技术的发展，使其能够实现利用丰富海水进行分散式制氢，支持可持续能源系统，减少对淡水的依赖，并扩大全球绿色氢气的获取途径。
亮点总结
- 首次对直接电解海水（DSE）制氢技术从海水电解液、催化剂、膜和电解槽四个核心组成部分进行了全面且批判性的综述
这超越了以往仅关注单一组件的研究，强调了各部分协同作用对DSE整体性能的关键影响，为该领域的未来发展提供了系统性框架。 - 文章重点关注在真实操作条件下DSE所面临的降解和腐蚀等关键挑战，并提出了详细的优化策略和未来研究方向
这为推动DSE技术从实验室研究走向大规模实际应用提供了指导性见解，强调了长期稳定性、经济可行性和可持续性在实际部署中的重要性。
内容解读
海水电解液 (Seawater electrolyte)
海水复杂的组成（如Cl−、Mg2+、Ca2+等）严重影响DSE性能。Cl−是主要挑战，它导致腐蚀（氯化物-氢氧化物形成机制）并促进阳极上的氯气析出反应（ClER），后者与期望的析氧反应（OER）竞争。金属离子（Mg2+和Ca2+）在碱性条件下会沉淀为金属氢氧化物，堵塞催化剂活性位点、膜孔和电解槽组件。为应对这些挑战，简单的预处理（如添加KOH/NaOH形成碱性环境）可通过热力学抑制ClER来创造有利于OER的条件。电化学沉淀或物理吸附法可去除Mg2+和Ca2+。其他阴离子（如SO42−、CO32−或HCO3−）可通过在阳极表面形成吸附层，静电排斥Cl−并抑制腐蚀，对海水电解产生积极影响。
图 合成用于海水OER和HER的先进材料的有效策略
催化剂设计 (Catalyst design):电催化剂是DSE系统的核心组件，需在海水电解过程中保持高活性和稳定性以抵御腐蚀和副反应。对于阳极OER催化剂，策略包括：物理调控（如添加保护层或原位调节局部微环境以排斥Cl−）；化学调控（如通过掺杂杂原子或界面工程来优化活性位点的吸附行为，从而提高OER选择性）；以及混合电解（用更易进行的阳极氧化反应替代OER，以降低能耗并共同生产有价值的化学品）。对于阴极HER催化剂，策略包括：几何结构设计（如多孔或三维分级结构以增加活性位点并促进传质，抵消金属氢氧化物沉淀的影响）；电子结构调控（通过掺杂和界面工程优化活性位点的吸附行为，防止Ca2+/Mg2+/Cl−中毒）；以及局部微环境调控（通过在阴极表面产生局部碱性环境或形成钝化层来抑制Cl−腐蚀和沉淀形成）。
图 DSE中不同膜的工作原理
膜设计 (Membrane design):膜在DSE系统中至关重要，用于有效分离H2和O2气体，并显著影响电解槽的性能和稳定性。膜主要分为离子交换膜（IEMs）和非离子交换膜。IEMs包括质子交换膜（PEMs）、阴离子交换膜（AEMs）、双极膜（BPMs）和阳离子交换膜（CEMs），它们分别选择性地传导H+、OH−、H+/OH−或Na+。其中，AEMs因其OH−传导性质能在碱性环境下运行并使用非贵金属催化剂而备受关注，但Cl−的竞争迁移是其挑战。BPMs结合了PEMs和AEMs的优点，能实现不同pH环境的集成，有效缓解Cl−氧化和金属沉淀。非离子交换膜包括隔膜、反渗透膜、正渗透膜和防水透气膜。膜降解主要源于离子污染与竞争、化学和机械降解、以及结垢和污染。缓解策略包括选择性膜材料、简单预处理、增强膜的碱性和机械稳定性、以及表面改性以防止污染。
电解槽设计 (Electrolyser design):本文回顾了常规电解槽（如碱性水电解槽AWEs、质子交换膜水电解槽PEMWEs、阴离子交换膜水电解槽AEMWEs、固体氧化物电解槽SOECs和双极膜水电解槽BPMWEs）在DSE中的应用及其面临的挑战。例如，AWEs在碱性海水中表现良好但面临电解液降解和结垢，PEMWEs在酸性环境抑制沉淀但贵金属成本高且ClER竞争严重，AEMWEs有望但存在Cl−交叉和沉淀问题。新型电解槽包括基于防水透气膜（WBM）的电解槽，它通过水蒸气传输从海水中原位净化水，实现可持续DSE，以及基于阳离子交换膜（CEM）的非对称电解槽，通过双电解液配置有效阻挡Cl−并降低运行电压。尽管这些设计提供了特定优势，但现有DSE系统的寿命远低于工业需求，主要受严重腐蚀和不可预测的降解影响。未来的电解槽设计需要专注于开发耐腐蚀材料、先进膜技术、杂质缓解策略以及优化电极结构和界面工程，以应对大规模应用中的挑战。