崂山实验室在海水制氢领域取得系列研究进展

绿色零碳氢能是未来能源发展的重要趋势，是我国推动构建人类命运共同体、实现可持续发展的责任担当。近期，崂山实验室唐波研究员团队在海水制氢领域取得了系列重要研究进展。

针对天然海水直接电解中阴极上镁钙（Mg2+/Ca2+）沉淀严重，电极活性位点被覆盖的难题，团队首次提出基于三维蜂窝电极的微气泡/沉淀输运系统，展示了具有高海水还原性能的独特电极构造。为海水电解存在的阴极沉淀问题提出了可靠的解决方案，并揭示了卓越抗沉淀性能的普遍原则（Nat. Commun., 2024, 15, 2950）。团队进一步探究了阴极抗沉淀的三种潜在策略，展示了从天然海水中共同电合成纳米级氢氧化镁和氢气的可能性，提出了氢气生产、氢气储存和镁资源回收的建议工艺（Chem, 2024, DOI: 10.1016/j.chempr.2024.05.018）。

解决了阴极沉淀，海水直接电解还面临海水中氯离子侵蚀阳极、引发大量副反应导致的阳极催化效率低、稳定性差的困扰。针对这一难题，团队发展了C2O42−到CO32−的原位碳氧阴离子自转化（COST）策略，有效保护活性位点免受碱性海水氧化过程中Cl−侵蚀，实现长久、安培级碱性海水电解（Angew. Chem. Int. Ed., 2024, 63, e202316522）；通过构筑高分散的微结构铬氧化物和铬阴离子稳定NiFe位点，利用均匀分布的OH?富集中心和抗Cl−吸附中心，从根本上提高了NiFe基电极碱性海水OER的活性、选择性和化学稳定性，实现了安培级电流密度下稳定电解海水2500h。（Nat. Commun., 2024, 15, 6624）。团队还提出电极保护外层策略来提高镍电极在苛刻条件下的使用寿命，使其在低pH溶液中以安培级电流密度进行交替电解长达93.8小时，使用寿命是传统水电解系统中镍电极的47倍。该工作有效证明了通过有效、重复的沉积-溶解过程在工程化苛刻电解条件进行长时间电解的可能性（Nat. Commun., 2024, 15, 6208）。

图1 基于eNSR活性和抗沉淀三维电极结构的高效微输运系统

图2 天然海水中共同电合成纳米级氢氧化镁和氢气

图3 原位碳氧阴离子自转化策略用于碱性海水氧化

图4 基于均匀分布OH-富集中心和抗Cl-吸附中心实现高效稳定海水氧化

图5 水交替电解系统