一.为什么电解海水？

氢气因其高能量密度(~284 kJ mol-1)和低排放而成为最有前途的能源之一。不同的制氢方法已经被开发出来，包括蒸汽-甲烷重整、煤气化和水电解。其中，水电解因其长期可持续性而吸引了最多的兴趣，氢的生产由可再生电能和无限的水资源驱动。与淡水相比，海水在地球上几乎是无限的原料，因此海水电解的意义要大得多，特别是在淡水短缺的干旱地区。此外，海水电解也有可能用于海水淡化和制盐。

二.水电解反应是怎样的？

水电解由两个半反应组成:

1.阴极上的析氢反应(HER):HER是一个快速的双电子转移过程。

2.阳极上的析氧反应(OER):与HER相比，由于质子耦合的多电子转移步骤导致动力学缓慢。

根据电解质酸性和碱性不同，有不同的反应：

无论在何种介质中发生水电解，在25℃、1atm条件下，水电解的热力学电压为1.23 V。在实际应用中，需要高于1.23 V的电势来克服动能势垒和溶液阻力等能量势垒，所需要的额外电位称为过电位。

三.目前海水电解面临的问题是什么？

目前海水电解面临的问题主要有以下三个方面：

1.氯相关竞争反应：在电解过程中，阳极上可能发生多种反应，包括氯的释放（ClER）和次氯酸根的形成反应，这些反应会与氧的释放反应（OER）竞争，导致阳极活性降低，限制了氧的生成和氢的生产。

2.不良的电极材料和电解液：电极材料和电解液的选择对电解海水过程至关重要。由于海水中含有大量的氯离子和其他离子，电极材料和电解液可能会发生腐蚀和氧化还原反应，导致活性降低，甚至失效。

3.能源效率问题：电解水需要大量的能量，而目前大多数能源来自不可再生的化石燃料。如果大规模使用电解水技术，可能会加剧能源短缺问题。

四.什么是氯相关竞争反应？

4.1氯相关竞争反应

氯相关竞争反应是指在电解过程中，发生的与氯相关的反应（氯析出反应(ClER)或次氯酸盐形成），它们会与氧的释放反应（OER）竞争。

a)当pH低于3时，ClER在氯离子氧化反应中占主导地位。

从热力学角度看，ClER的标准电极电位E0与pH无关

且高于OER:

由于OER电位与pH值有关，且随着pH值的升高而减小，因此OER与ClER之间的电位差随着pH值的升高而增大。

当pH值高于7.5(次氯酸的pKa)时，次氯酸盐生成反应将发生:

此时并不是氯析出反应在阳极与OER竞争。

如下图所示：

当pH大于7.5时(图中浅蓝色区域)，-OER的最大过电位为~480 mV，这是首选碱性溶液进行海水电解的主要原因。

4.2怎样避免氯相关竞争反应？

a)使用具有高选择性和强耐腐蚀性的电极材料。

高选择性的电极材料是指在海水电解过程中，对氧气生成具有高度选择性的电极材料。这种选择性的提高有助于降低副反应的发生，从而提高氢气的纯度和产量。

具体来说，高选择性电极材料的设计和合成通常涉及对材料表面的改性和修饰，以优化其电化学性能。改性方法包括添加催化剂、改变材料的形貌和组成、以及使用保护性涂层等。

一些具有高选择性的电极材料包括多金属氧化物、Ni/Fe/Co基复合材料、氧化锰涂层异质结构等。这些材料在碱性环境中往往表现出良好的氧生成选择性。例如，混合金属氧化物材料可以降低氯的腐蚀性，同时保持高催化活性；Ni/Fe/Co基复合材料可以通过控制元素的掺杂量和比例，提高氧还原反应的速率和选择性；氧化锰涂层异质结构可以利用锰离子的特性和氧化物表面的改性，提高材料的耐腐蚀性和氧还原反应的活性。

b)在电极表面涂覆一层具有抗腐蚀性的材料，例如金属钛或碳基材料等。

c)通过改变电极的结构设计，减少腐蚀的发生。例如，采用多孔电极或改变电极表面的形貌等措施。

d)在电解过程中加入一些缓蚀剂。这些缓蚀剂可以是具有抗氧化性的物质，如某些有机化合物或无机盐等。

此外，降低电解质的浓度、控制电解温度、优化电解池结构和电流密度等措施也可以用来减少氯相关竞争反应的影响。总的来说，避免氯相关竞争反应需要从多个方面综合考虑，包括电极材料的筛选与优化、表面涂层保护、电解过程的优化以及电极结构的设计等。

五.电解水未来的科研方向是什么？

1.材料研发：

电解过程中，电极材料的选择和设计是影响电解效率和水质的关键因素。未来的研究可以致力于研发具有高选择性和强耐腐蚀性的电极材料。例如，多金属氧化物、Ni/Fe/Co基复合材料、氧化锰涂层异质结构等材料的研究已经取得了一定的进展，但仍需要进行更深入的探究。同时，可以考虑研发与可再生能源（如太阳能）相结合的电解水系统，以提高能源利用效率和降低环境影响。

2.机制研究：

理解电极材料的催化活性、选择性和耐腐蚀性的内在机制，有助于优化电解过程和提高产物的纯度。未来的研究可以继续深入探讨这些材料的性能和作用机制，例如通过研究其表面特性和化学反应过程等。

3.技术优化：

优化电解池结构和电流密度等参数，可以提高电解效率并降低成本。此外，开发高效、环保的电解水技术也是未来的研究方向，例如利用可再生能源进行电解水制备氢气，或者开发新型的电解水工艺流程等。

4.氯相关竞争反应的避免：

在海水电解过程中，氯相关竞争反应是导致电极腐蚀和氢气纯度下降的重要因素。未来的研究可以致力于寻找有效的方法来避免或抑制这些反应，例如通过电极材料的改性、电解条件的优化或新型防腐蚀技术的研发等。

总的来说，电解水技术未来的研究方向将更加注重材料的优化设计、技术的创新和环保性以及氯相关竞争反应的抑制等方面，以实现大规模、高效且环保的氢气生产。

以上内容为电池人阅读文献后的总结，为此感谢前辈们的研究，为我们后来者的学习提供了便利！

“我相信科学技术的难关都将被一步步攻克，因为我们站在巨人的肩膀上，也奋力在成为巨人。”

参考资料：

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[2]Zhang F , Yu L , Wu L ,et al.Rational design of oxygen evolution reaction catalysts for seawater electrolysis[J].Trends in Chemistry, 2021.DOI:10.1016/j.trechm.2021.03.003.

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[4]Wei Liu, Jiage Yu, Marshet Getaye Sendeku, Tianshui Li, Wenqin Gao, Guotao Yang, Yun Kuang, and Xiaoming Sun. Ferricyanide Armed Anodes Enable Stable Water Oxidation in Saturated Saline Water at 2 A/cm2. Angew. Chem. Int. Ed. 2023. doi: /10.1002/anie.202309882

转自：“电池人的笔记”微信公众号

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