低能耗海水电解制氢新技术

氢能来源广泛、燃烧热值居各种燃料之冠，清洁无污染，应用场景灵活丰富，是最适宜代替化石能源的绿色、高效二次能源，已被我国与美国、日本、欧盟等发达国家、团体列入国家发展战略。利用太阳能、风能等将水电解为高纯氢气，同时化解行业结构性过剩电量，是迎接“氢能经济”时代、实现我国“碳达峰、碳中和”目标最具前景的低碳清洁制氢技术方向之一。

海水占地球水资源的97 %以上，蕴含的氢能热值达地球化石燃料总量的9000倍以上，且海域风力、太阳能等资源丰沛，在发展可再生能源驱动的规模化电解水制氢技术方面具有得天独厚的优势。我国海洋面积约300万平方公里，大陆海岸线长达1.8万多千米，立足辽阔蓝色国土，发展高效的海水电解制氢技术对我国氢能经济发展、海洋资源开发利用与海防事业具有重要的现实与战略意义。但水裂解反应的理论电压高达1.23 V，仅通过优化催化剂与电解工艺难以突破性降低制氢能耗与成本。此外，海水电解制氢技术的发展还受限于海水复杂化学环境带来的一系列额外挑战，如催化剂污染失活、阳极氯氧化副反应与腐蚀等。

针对以上难题，大连理工大学精细化工国家重点实验室王治宇、邱介山教授与北京化工大学孙晓明教授合作，提出了一种低能耗、无阳极氯腐蚀的混合海水电解制氢新技术。通过解耦全电解水反应，并在阳极利用肼氧化反应取代高能耗的水氧化过程，大幅度降低海水电解制氢能耗，同时高效处理含肼工业废水并拉低制氢成本。在工业电流条件下，电解池效率为60 – 65 %时，电解碱性海水仅需1.0 V电压，能耗低达2.75 kWh m^-3 H₂，产氢速率为9.2 mol h^–1 g_cat^–1，并完全避免阳极腐蚀。本技术适用于海水、工业废水等，与商业化碱性电解水技术相比，能耗降低 40 – 50 %，碳排放量比天然气重整制氢技术降低90 %以上。还可实现水体中剧毒肼污染物的同步快速降解，处理后肼残留值（3 ppb）远低于美国环保署饮用水标准（10 ppb），在高效制氢的同时，实现生态环境的净化。与燃料电池或太阳能电池结合时，可进一步实现自供能电解海水制氢，为发展低能耗、高经济和生态可持续性的低碳制氢技术方法提供了新的思路。

图1. 混合海水电解反应体系及其能耗与碳排放评价。

图2. 可再生能源驱动的海水电解制氢-含肼工业废水处理联用工艺与原型器件。

这一成果近期发表在Nature Communications，论文第一作者是大连理工大学博士研究生孙富。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Energy-saving hydrogen production by chlorine-free hybrid seawater splitting coupling hydrazine degradation

Fu Sun, Jingshan Qin, Zhiyu Wang,* Mengzhou Yu, Xianhong Wu, Xiaoming Sun* and Jieshan Qiu*

Nat. Commun., 2021, DOI: 10.1038/s41467-021-24529-3

导师介绍

王治宇

https://www.x-mol.com/university/faculty/287454 

邱介山

https://www.x-mol.com/university/faculty/9047 

孙晓明

https://www.x-mol.com/university/faculty/8729