02相变迁移驱动的海水无淡化原位直接电解制氢原理此次 ， 谢和平院士科研团队提出了从物理力学与电化学相结合的全新思路 ， 破解海水直接电解制氢面临的难题与挑战 ， 从而创造性地开创了海水无淡化原位直接电解制氢新原理与技术 。 该成果通过将分子扩散、界面相平衡等物理力学过程与电化学反应巧妙结合 ， 建立了相变迁移驱动的海水直接电解制氢理论模型 ， 揭示了微米级气隙通路下界面压力差对海水自发相变传质的影响机制 ， 形成了电化学反应协同海水迁移的动态自调节稳定电解制氢方法 ， 破解了有害腐蚀性这一困扰海水电解制氢领域的半世纪难题 。
该项研究的关键点是将基于自驱动相变机制的原位水净化工艺集成到海水电解中 ， 这是通过应用疏水多孔聚四氟乙烯(porous polytetrafluoroethylene PTFE)防水透气膜作为气路界面 ， 采用浓氢氧化钾(KOH)溶液作为自阻尼电解质(self-dampening electrolyte SDE)实现的 。
这种设计允许水蒸气扩散 ， 但完全防止液态海水和杂质离子的渗透 。 在运行过程中 ， 海水侧和电解质侧的水蒸气压力差导致海水自发蒸发 ， 并以蒸汽形式通过薄膜扩散到电解质侧 ， 在那里通过电解质的吸收重新液化 。 这种相变迁移过程允许从海水原位生成纯水进行电解 ， 具有100%的离子阻断效率 ， 同时在电解质中电解所消耗的水成功地保持了界面压差 。 因此 ， 当水的迁移速率等于电解速率时 ， 在海水和电解质之间建立了新的热力学平衡 ， 并通过“液-气-液”机制实现了连续稳定的水转移 ， 为电解提供淡水 。 相比之下 ， 使用传统方法直接电解海水会导致严重的电催化剂腐蚀 ， 并且在运行后1小时内电解失效 ， 并伴有乳白色絮状沉淀物的形成 。
03连续高效持续的海水电解制氢为了验证海水电解概念的可行性 ， 研究人员建立了一个具有对称结构的实验室规模的海水电解系统(seawater electrolysis system SES) ， 用于研究电化学性能 。
在研究中 ， 疏水多孔聚四氟乙烯膜在海水和自阻尼电解质之间引入了紧密连接的微米级气体扩散路径 ， 以定向传输水蒸气并完全防止液体渗透 。 PTFE的多氟结构具有低表面能 ， 形成超疏水隔离域以抑制海水和离子随时间的渗透 。 正如预期的那样 ， SDE中各种离子浓度在96小时内保持稳定 ， 并且都比海水中的浓度低至少四个数量级 。 浸没在水中的微米级气体路径加速了水蒸气的产生 ， 并将其迁移速率提高了至少两个数量级 。 水迁移速率显著依赖于膜的性质 。 在一定时期内 ， 较大的气路面积有利于更多的水蒸气迁移到SDE 。 此外 ， 电解性能与氢氧化钾浓度密切相关 ， 30 wt% 氢氧化钾被认为是最佳的SDE ， 具有最高的导电性 ， 提供有吸引力的电化学性能 ， 并产生与海水的合理水蒸气压差 ， 以实现有利的水迁移 。
为了证明方法的实际性 ， 研究人员进一步制造了386 lh-1规模的H2生产演示型海水电解系统（下图 a） ， 该系统结构紧凑 ， 由11个电解箱单元组成 ， 总有效几何表面积为3696 cm2 ， 大约有几个中型手提箱那么大 。 在250 mA cm-2的恒定电流密度下对于深圳湾海水电解 ， 放大后的海水电解系统在超过3200 h的能耗下仍表现出出色的稳定性能 。
在 133 天的测试期间 ， 它每小时产生约 386 升氢气 ， 这听起来很多 ， 但如果在标准大气压下 ， 386 升仅代表 31.652 克氢气 。 将其置于燃料电池 EV 环境中 ， 并假设汽车使用 1 千克氢气行驶约 100 公里 ， 这种 11单元的小型测试装置每小时产生的氢气足以驱动汽车行驶约 3.2 公里 。
在效率方面 ， 电解槽每生产一标准立方米（Nm 3）氢气消耗约 5 kWh 。 由于每标准立方米氢携带约 3.544 kWh 的能量 ， 因此该海水电解槽的运行效率约为 71% 。
此外 ， 经过长时间运行后 ， SDE中杂质离子浓度没有明显增加 ， 表明即使在大规模电解质中也几乎没有膜润湿或液体渗透 。 事实上 ， SEM表明催化剂层在长电解后保持了其原始形貌 ， 在纯电解环境中没有明显腐蚀 。 因此 ， 由于其紧凑的设计、有限的系统工程和优异的性能 ， 可扩展系统在生态浮岛的能源建设中具有巨大的应用潜力 。
04海水原位直接电解制氢走向产业化此项研究展示了一种可扩展的、无副作用和无腐蚀的海水直接裂解策略 ， 在单一系统中实现了原位自驱动水净化和水电解 。 该研究团队相关负责人介绍 ， “海水无淡化原位直接电解制氢”独创原理技术可集“海上风电等可再生能源利用—海水资源利用—氢能生产”为一体 ， 将形成无淡化、无额外催化剂工程、无海水输运、无污染处理的原位海水直接电解制氢全新模式 ， 把“海水资源”转化为“海水能源” ， 未来可构建与海上可再生能源相结合的一体化原位海水制氢工厂 。
推荐阅读
- 600万年前，一只猫头鹰刚吃饱，食物还没消化就被定格为化石
- “家有三物到，不是好预兆”，具体是指哪三种动物？有道理吗？
- 地球上睁眼睡觉的动物，猫头鹰和海豚睁一只眼闭一只眼睡觉
- 世界上眼睛占头部比例最大的四种动物？