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首页 测试百科 这位院士,在绘画书法也很有造诣,再发《Nature》!

这位院士,在绘画书法也很有造诣,再发《Nature》!

深圳大学 Nature 制氢 海水电解

一、研究背景
使用可再生能源作为输入的电化学盐水电解是大规模生产绿色氢的一种非常理想和可持续的方法;然而,由于海水的复杂成分引起的电极副反应和腐蚀问题,其实际可行性受到耐久性不足的严重挑战。尽管使用聚阴离子涂层抑制氯离子腐蚀或创建高选择性电催化剂的催化剂工程已被广泛开发并取得了一定的成功,但对于实际应用仍远不能令人满意。通过使用预脱盐工艺进行间接海水分离可避免副反应和腐蚀问题,但它需要额外的能量输入,因此在经济上不太有吸引力。此外,独立的大型海水淡化系统使海水电解系统在尺寸上不那么灵活。
二、研究成果
深圳大学谢和平院士课题组和南京工业大学邵宗平教授课题组合作提出了一种用于制氢的直接海水电解方法,从根本上解决了副反应和腐蚀问题。在实际应用条件下,示范系统在每平方厘米250毫安的电流密度下稳定运行3200小时以上,没有故障。该策略以类似于淡水分离的方式实现了高效、尺寸灵活和可扩展的直接海水电解,而不会显著增加操作成本,具有很高的实际应用潜力。重要的是,这种配置和机制有望在同时进行水性废水处理、资源回收和一步制氢中进一步应用。相关研究工作以“A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation”为题发表在国际顶级期刊《Nature。祝贺!
谢和平,1956年1月出生,男,湖南双峰人,能源与力学专家,1982年毕业于中国矿业大学数学与力学系,2001年当选为中国工程院院士。深圳大学特聘教授,深圳大学深地科学与绿色能源研究院院长,四川大学原校长、教授博导。国务院学位委员会委员,中国科学技术协会常委。国家重点研发计划“深部岩体力学与开采理论”项目负责人。
谢和平院士为国家973项目首席科学家(2次),国家自然科学基金委创新研究群体首席科学家。首届“中国青年科学家奖(技术科学)”,何梁何利科技进步奖(技术科学奖),国家自然科学二、三等奖,国家科技进步二、三等奖,均为第一获奖人。被英国Nottingham大学、德国Clausthal工业大学、香港理工大学授予“荣誉博士”学位,获牛津大学授予“牛津大学圣艾德蒙Fellow”学术称号。
曾任原煤炭工业部科技教育司司长、1998.8-2003.6任中国矿业大学校长和中国矿业大学(北京校区)校长、2003.5-2017.12任四川大学校长、2012.12-2019.4任四川省科协主席、2009年成为中国书法家协会会员,2012.12-2018.4任四川省书法家协会副主席。中共十七届中央候补委员,十二届全国人大代表。现为深圳大学教授、深圳大学深地科学与绿色能源研究院院长、广东省“深地科学与地热能开发利用”重点实验室主任、深圳市“深部工程科学与绿色能源”重点实验室主任。兼任国务院学位委员会委员、中国科学技术协会常委、教育部科技委地学与资源学部主任、四川省科协名誉主席、(全国)教育书画协会副会长、四川省书法家协会顾问等职务。为《Geomechanics and Geoengineering: an international Journal》国际期刊荣誉主编、《Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources》国际期刊主编、《工程科学与技术》期刊主编,并兼任岩石力学领域顶级期刊《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》等10余种期刊编委。
邵宗平,男,1973年生,1995年本科毕业于原杭州大学化学系(现浙江大学理学院),2000年毕业于中科院大连化物所获博士学位,目前为南京工业大学教授,博士生导师,材料化学工程国家重点实验室固定教授。曾获霍英东青年基金,教育部新世纪优秀人才,江苏省6大人才高峰(A类),江苏省333高层次人才计划(第二层次),国家杰出青年基金,享受政府特殊津贴专家,入选国家百千万人才工程以及欧盟科学院院士等人才项目或称号。
三、图文速递
图1. 海水电解系统Seawater electrolysis system (SES) 的设计
2. 连续高效电解的起源
作者策略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(PTFE)基防水透气膜作为气路界面并采用浓氢氧化钾(KOH)溶液作为自润湿电解质(SDE)实现的(图1a)。这种设计允许水蒸气的偏置扩散,但完全防止液态海水和杂质离子的渗透。
在操作过程中,海水和SDE之间跨膜的水蒸气压力差为海水侧的自发海水气化(蒸发)以及水蒸气通过膜内的短气体路径扩散到SDE侧提供了驱动力,在SDE侧,水蒸气通过SDE的吸收而重新液化。这种相变迁移过程允许从海水源以100%的离子阻挡效率原位生成电解用纯水,同时SDE中同时电解所消耗的水成功地保持了界面压差。因此,当水迁移速率等于电解速率时,海水和SDE之间建立了新的热力学平衡,通过“液-气-液”机制实现了连续稳定的水迁移,为电解提供淡水(图1b)。
这里,疏水多孔PTFE膜在海水和SDE之间引入紧密连接的微米级气体扩散路径,以定向输送水蒸气并完全防止液体渗透。通过液-气-液相转变,气体路径上的传质发生;即,液态水蒸发以在海水侧形成气相,并以气态水的状态迁移穿过膜;它通过SDE的吸收再次液化。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,各种离子(ClO, SO42- 和Mg2+)在96小时内保持稳定,并且都比海水中的低至少四个数量级(图2a)。浸没在水中的微米级气体路径加速了水蒸气的生成,并使其迁移速率比使用较长的水扩散路径(如吸收海面上方的水蒸气)获得的迁移速率增加了至少两个数量级(图2b)。有利的是,这种微孔结构可以承受0.1 μm孔径下约0.74 MPa的最大压力,这相当于约75m海水深度下的压力。
发现水迁移速率显著依赖于膜的性质。较大的气路面积在一定时期内促进了更多的水蒸气迁移到SDE。此外,分子间碰撞和分子与膜孔之间的碰撞同时发生,其中较大的孔径和较短的气路长度都加速了水迁移速率。扫描电子显微镜(SEM)图像显示,在深圳湾海水中电解15天后,PTFE膜孔被严重堵塞,表明PTFE膜具有出色的防污能力。无论如何,对于更长的操作周期,仍需认真考虑膜润湿和结垢的风险。
3. 放大和通用性
为了证明方法的实用性,作者进一步制作了一个演示型SES,速度为386 l h−1 H2生成规模(图3a)。如图3b所示,系统紧凑,尺寸仅为82 cm×62 cm×70.5 cm,由11个电池组成,每个电极(H2析出电极和O2析出电极)的总有效几何表面积为3696 cm2。作者比较了放大SES和实验室SES在不同电流密度下的电压。与相应电流密度下的实验室规模SES相比,放大SES的电压增加了一定程度,这可能是由于系统放大期间接触电阻增加所致。在250 mA cm−2的恒定电流密度下对于使用深圳湾海水进行电解,经放大的SES在3200多小时内仍表现出出色的稳定性能,能耗约为5.0 kWh Nm−3 H2(图3c)。此外,杂质离子(ClO, SO42- 和Mg2+)没有明显增加,并且所有三种离子的浓度仍然比海水中的浓度低至少四个数量级(表明100%的离子阻挡效率),表明即使在长时间运行期间,在大型电解槽中也几乎没有膜润湿或液体渗透。事实上,SEM显示催化剂层在长期电解后保持其原始形态,在纯电解环境中没有明显腐蚀。因此,该可扩展系统由于其紧凑的设计、有限的系统工程和优异的性能,在生态浮岛的能源建设中具有巨大的应用潜力。
四、结论与展望
在这项研究中,作者展示了一种可扩展的、无副反应和无腐蚀的直接海水分离策略,该策略在单个系统中实现了原位自驱动水净化和水电解。关键技术是将自透气防水膜和SDE结合到电解槽中。由于海水和SDE之间的水蒸气压力差异,水从海水穿过膜向SDE的迁移是通过液-气-液相转变机制自行驱动的。这种独特的水净化机制确保了100%的离子阻挡效率,膜的疏水性导致了防污能力,微米级的气体扩散路径实现了高的水迁移率。作为该方法的实际演示,实验室规模的SES在72小时内稳定运行,RFE接近100%。具有386 l h−1氢气生成能力的放大SES在250 mA cm−2下稳定运行,持续3200小时以上,能耗极低,为5.0 kWh N cm−3,并且没有观察到明显的电催化剂腐蚀或膜润湿。通过应用固体吸湿性SDE和较低的过电位催化剂,该策略可能适用于未来的能源密集型工业生产,并可用于废水处理和资源回收,以及一步制氢。作者预计,进一步扩大这种基于相变的水迁移策略将导致从海水或不纯水中开发先进的H2生产,用于实际应用。
五、文献
文献链接:
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05379-5
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