耐腐蚀 RuMoNi 电催化剂助力海水电解制氢技术突破

耐腐蚀 RuMoNi 电催化剂助力海水电解制氢技术突破

研究背景

海水电解制氢技术面临的主要问题是海水中的氯离子引起副反应和催化剂腐蚀，从而降低电催化剂的选择性和稳定性。该问题限制了海水电解技术的应用。为了解决这个问题，研究人员正在进行各种努力，包括开发更耐腐蚀的电催化剂、优化电解条件以减少副反应、改进电解池设计。这些努力旨在提高海水电解制氢技术的效率和可靠性，促进可持续能源的发展。

介绍

本报告介绍了一种用于海水电解制氢的耐腐蚀电催化剂，该电催化剂通过原位形成的钼酸根离子排除氯离子，从而减少副反应和腐蚀问题。在碱性海水电解质中，该催化剂可在高电流密度下稳定运行3000小时以上。当采用阴离子交换膜电解槽时，该催化剂的能量转换效率为77.9%，电流密度为cm−2，电压为1.72V。计算表明，使用该技术生产的氢气价格为每加仑汽油当量0.85美元，低于美国能源部2026年设定的每加仑汽油当量2.0美元的技术目标，从而证明了该技术的实用性。

文本突出显示

图2 电催化剂的设计原理及微观表征

电催化测试结果表明，在1M KOH与海水组成的电解液中，该电催化剂在100mA下进行OER的过电位仅为245mV，在1.7V vs.RHE下即可实现/cm2的高电流密度。该电催化剂在碱性溶液、碱性盐溶液、碱性海水电解液中均能保持优异的活性，其在海水电解液中的OER选择性接近100%。我们采用了Δη/Δlog|j|(Rη/j)这个衡量宽电位条件下电极动力学的重要指标，通过计算该指标，研究人员发现其比RuO2具有更快的OER动力学。

图2 高电流密度下碱性海水中的OER性能

图1. 不同实际条件下电催化剂的耐久性测试。

图2 电催化剂的耐腐蚀机理

科研人员以2-H2O为双功能电极，组装了一种碱性海水阴离子交换膜（AEM）电解器，该电解器在电压仅为1.72V的情况下，电流密度为1A/cm2时即可产氢，并在电流密度为0.5A/cm2时实现了240h的海水稳定电解。该AEM电解器表现出高活性、高产氢量、高稳定性，与已报道的AEM海水电解器相比具有显著优势。

图 1. 碱性海水 AEM 电解器性能

总结

综上所述，我们合成了一种高效、选择性强、耐久性的高电流密度碱性海水电解电催化剂。该催化剂对海水中的Cl-阴离子具有较高的OER选择性和耐腐蚀性，催化剂表面原位形成的MoO42-对Cl-具有吸附和排斥作用，耐腐蚀层由MoO42-和MgO-组成。该电催化剂在500 mA cm-2下持续催化3000小时以上，衰减率仅为0.64 μV h-1，这意味着在10年的运行中，电池电压只会经历低至56 mV的电压升高。使用该组件的海水AEM电解槽具有高活性（工业条件下为1.72 V/cm-2）、高效率（500 mA cm-2时为77.9%）和长寿命（500 mA cm-2时超过240小时）的性能。