利用海水作為原料進(jìn)行電催化水分解制氫可以有效緩解傳統(tǒng)水分解過(guò)程中淡水消耗量大的問(wèn)題。然而，海水主要含有Cl?(~0.55 M)、Na+(~0.48 M)、Mg2+(~0.05 M)等離子，在陽(yáng)極上析氯反應(yīng)(ClER)由于與析氧反應(yīng)(OER)具有相似的熱力學(xué)，可以與OER反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)。

因此，ClO?作為ClER在堿性條件下的氧化產(chǎn)物，會(huì)對(duì)整個(gè)電解裝置產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題。將成熟的AE技術(shù)用于直接海水分解可能是一種有效的解決方案，因?yàn)楦遬H會(huì)抑制ClER，其石棉隔膜可以避免Cl?堵塞，以及堿性條件有利于Ca2+和Mg2+的去除。

為了便于AE中的直接堿性海水電解，以往的研究主要集中在在陽(yáng)極上構(gòu)建保護(hù)層，實(shí)現(xiàn)Cl?與催化劑的分離上，以抑制上述提到的腐蝕和副反應(yīng)。然而，由于改性層在惡劣的操作條件下通常不夠穩(wěn)定，這種抑制策略面臨著耐久性不理想的問(wèn)題。因此，為了開(kāi)發(fā)一種高性能的堿性海水分解催化劑，需要闡明Cl?的作用。

基于此，阿德萊德大學(xué)喬世璋、鄭堯和中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所董俊才等首次利用在催化劑表面吸附來(lái)自于堿性海水原料的Cl?，構(gòu)建了一種工業(yè)規(guī)模的堿性海水分解裝置。

具體而言，研究人員以NiFe LDH作為模型催化劑，通過(guò)一系列原位表征技術(shù)證明，在OER過(guò)程中，Cl?在LDH中Fe位點(diǎn)上的吸附抑制了Fe的浸出，產(chǎn)生了更多的活性Ni位點(diǎn)；同時(shí)Cl?的特定吸附行為觸發(fā)OER機(jī)制從LOM向AEM的轉(zhuǎn)變，穩(wěn)定了催化劑中的晶格氧，有助于提高NiFe LDH在直接堿性海水分解反應(yīng)中的OER活性和穩(wěn)定性。

因此，所制備的NiFe LDH催化劑具有較高的OER活性，其在堿性海水中達(dá)到100 mA cm?2電流密度時(shí)的過(guò)電位僅為254 mV，性能優(yōu)于大多數(shù)催化劑；同時(shí)，該催化劑在堿性海水中還表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，其在200 mA cm?2電流密度下能夠連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行超300小時(shí)。

此外，由于Cl?的促進(jìn)作用，以NiFe LDH作為陽(yáng)極組裝的工業(yè)級(jí)堿性海水電解槽，將用電量從5.95 kWh Nm?3(商用凈化水基AE)降低到4.72 kWh Nm?3(節(jié)省20.7%)。 除了提高能源效率，這種堿性海水基AE在200 mA cm-2的電流密度下還具有超過(guò)100小時(shí)的耐久性。綜上，該項(xiàng)研究不僅為Cl?對(duì)典型OER催化劑的影響提供了一個(gè)新的、全面的認(rèn)識(shí)，而且為海水中電催化反應(yīng)催化劑的設(shè)計(jì)提供了重要的指導(dǎo)。

High-Performance Alkaline Seawater Electrolysis with Anomalous Chloride Promoted Oxygen Evolution Reaction. Angewandte Chemie International Edition, 2023. DOI: 10.1002/anie.202311674