《Nature》:海水制氫技術(shù)是怎樣煉成的?
綠氫大規(guī)模商業(yè)化指日可待!
3月5日,北京化工大學(xué)孫曉明教授、周道金研究員團隊在國際頂級期刊《自然》(Nature)發(fā)表題為《10000小時穩(wěn)定的間歇性堿性海水電解》的突破性研究,成功破解海水電解制氫領(lǐng)域困擾國際學(xué)界十余年的技術(shù)瓶頸,為綠氫大規(guī)模商業(yè)化掃清障礙。
三重創(chuàng)新機制,破解海水電解兩大“殺手”
海水電解可直接利用豐富的海洋資源,避免了淡水制氫的局限性(每噸氫需消耗9噸淡水),但長期受困于氯離子腐蝕和間歇性電源引發(fā)的電極氧化兩大難題。
海水中Cl濃度高達0.5 M,電解過程產(chǎn)生的次氯酸鹽會嚴重腐蝕電極材料;而風光電的波動性供電更導(dǎo)致陰極電位反轉(zhuǎn),加速材料氧化失活。過往研究多聚焦陽極材料改性(如釕銥涂層),但陰極在停機時的“靜默腐蝕”始終無解。
孫曉明團隊合成了基于金屬磷化物納米陣列并覆蓋氧化層的NiCoP-Cr2O3催化析氫電極,NiCoP-CrO催化劑通過以下三重創(chuàng)新實現(xiàn)突破:
智能鈍化層:停機時,磷酸鹽(PO³)與鉻氧化物形成致密保護層,隔絕氯離子與氧氣;重啟時鈍化層可逆還原,暴露高活性鎳鈷磷核心,TOF-SIMS證實其動態(tài)自修復(fù)特性。
靜電排斥護盾:磷酸鹽層表面帶負電,與Cl同性相斥,理論計算顯示Cl在鈍化層的吸附能達+1.2 eV(未保護鎳表面為-0.8 eV),物理阻斷腐蝕通道。
元素協(xié)同犧牲:球差電鏡顯示,停機時鈷(Co)優(yōu)先氧化為CoO,保護鎳(Ni)維持零價態(tài)活性,類似“鋅犧牲陽極”但效率更高。
成本性能“雙殺”,加速商業(yè)化
在模擬風光電波動的嚴苛測試中,NiCoP-CrO催化劑展現(xiàn)出顛覆性性能。
萬小時級穩(wěn)定性:0.5 A/cm²電流密度下連續(xù)運行14個月,電壓衰減率僅0.5%/千小時,遠超IEA商用電解槽8萬小時壽命標準。
極端工況驗證:每10分鐘啟停一次的“魔鬼測試”中,4500次循環(huán)后性能零衰減,較傳統(tǒng)NiCo-LDH催化劑壽命延長超5倍。
工業(yè)級電流突破:在含20% NaOH的海水電解液中實現(xiàn)10 A/cm²超強電流,700小時運行后催化劑結(jié)構(gòu)完整,為千兆瓦級制氫工廠奠定基礎(chǔ)。
孫曉明團隊的技術(shù)通過延長電解槽維護周期(從“月”至“年”)和降低能耗,顯著推動綠氫平準化成本(LCOH)向灰氫靠攏。若結(jié)合非貴金屬陽極(如NiFe-LDH),材料成本可再降30%。國際能源署預(yù)測,隨著技術(shù)進步,2030年綠氫成本有望降至20元/kg,2050年進一步降至10元/kg。
目前,該研究獲得了國家重點研發(fā)計劃(2022YFA1504000)支持,產(chǎn)業(yè)化進程全面提速。
中國將氫能納入“十四五”戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),計劃2030年綠氫占比超50%。隨著沿海地區(qū)“海上風電+電解工廠”模式鋪開,綠氫有望成為能源轉(zhuǎn)型的核心載體,助力全球碳中和目標。海水制氫的這一突破不僅是科學(xué)上的“從0到1”,更將重塑未來能源格局。
原文標題 : 《Nature》:海水制氫技術(shù)是怎樣煉成的?
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