盐水电解析氢技术的突破：RuO2–IrO2涂层钛阳极的经济高效催化路径

针对淡水资源稀缺和电解成本高昂的问题，本研究开发了一种直接利用盐水的电解制氢技术。采用抗腐蚀的RuO2–IrO2涂层钛阳极和镍-不锈钢阴极，在3% NaCl溶液中实现140.7 mmol·h-1的产氢速率，连续运行72小时保持稳定。该技术省去脱盐预处理，为沿海和干旱地区绿色氢能生产提供了经济可行的解决方案。

　　

随着全球碳中和目标的推进，绿色氢能作为最具潜力的清洁能源载体备受关注。传统电解水制氢技术严重依赖高纯度淡水资源，这在淡水资源稀缺的沿海地区和干旱区域成为重大制约。更棘手的是，直接使用海水电解会面临氯离子腐蚀、电极寿命短、副反应多等技术瓶颈。如何突破盐水电解的技术壁垒，实现高效、稳定、低成本的绿色氢能生产，成为能源领域亟待解决的难题。

在这项发表于《Next Sustainability》的研究中，印度CSIR国家环境工程研究所的Sehba Anjum Mumtaz Ahmed团队开创性地开发了一种直接盐水电解制氢系统。他们采用抗腐蚀的层级结构钛阳极，表面涂覆钌铱氧化物(RuO₂–IrO₂)催化剂，配合镍-不锈钢阴极，构建了无膜电解反应器。这一设计巧妙解决了氯腐蚀问题，同时避免了使用昂贵的质子交换膜(PEM)或阴离子交换膜(AEM)，显著降低了系统成本。

研究人员通过电沉积技术在钛基底上制备了RuO₂–IrO₂复合涂层电极，采用扫描电镜(SEM)和能量色散X射线光谱(EDAX)进行材料表征，使用气相色谱(GC)分析产气体组成，并通过电化学测试评估系统性能。实验使用3% NaCl溶液模拟海水环境，在1升反应器中进行电解测试。

3.1. 催化剂表征与电化学特性：EDAX和SEM分析

通过SEM和EDAX分析证实，制备的混合金属氧化物电极表面均匀分布着Ru和Ir元素，含量分别为5%和2.5%。电极表面存在微裂纹，这是由于煅烧过程中金属氧化物薄膜与钛基底之间的膨胀率差异造成的。经过长时间电化学操作后，电极仍保持74.9% Ti、3.7% Ru、1.5% Ir和19.9% O的元素组成，表明催化剂层结构稳定，活性组分浸出极少。

3.1.1. XRD分析

X射线衍射显示，Ti-TiMMO电极在长时间海水电解后基本保持了Ti-Ru-Ir活性相，仅出现轻微的表面重构或部分非晶化，没有明显的体相降解。这与EDAX结果共同证明了电极在长期海水电解条件下具有优异的结构完整性。

3.2. 反应器系统架构与操作技术

3.2.1. 电解槽设计影响

研究团队设计了光伏驱动的电解系统，在PV阵列和电解槽之间集成了最大功率点跟踪(MPPT)控制器和DC-DC转换器，优化能量捕获并确保电解槽稳定运行。系统采用无膜设计，避免了膜材料带来的成本增加和设备寿命缩短问题。

3.2.2. 电解质筛选

比较了Na₂S、Na₂SO₃、KMnO₄、NaCl、NaBH₄等多种电解质，发现NaCl提供最高的析氢反应(HER)活性。进一步测试不同电极组合，发现Ni-不锈钢电极组合产氢速率达到120.37 mmol/hr，与Ti-TiMMO组合的140.7 mmol/hr相当，但牺牲电极需要定期更换。

3.2.3. 电解质浓度影响

测试了1%到5%的NaCl浓度范围，发现电解质浓度显著影响产氢速率。浓度增加提高了溶液电导率，促进了产氢反应。3% NaCl浓度与天然海水的盐度(2.7% NaCl)相近，使系统能够有效模拟真实海水环境。

3.2.4. 电压影响

施加电压从1V到5V变化，发现在2V以下不产生氢气，3V时产氢速率为18.93 mmol/hr，4V时显著提高到140.70 mmol/hr，5V时达到193.06 mmol/hr但增长幅度减小。选择4V作为优化工作电压。

3.2.5. 连续运行

系统在4V电压下连续运行超过10天，无需添加反应物，产氢速率维持在128.3-147.3 mmol/hr范围内。NaCl浓度随时间下降，NaOCl和H₂O₂作为中间产物出现但最终维持在低浓度，表明系统实现了持续自维持的电化学反应。

3.2.6. 工业应用的放大考虑

工业电解槽通常具有数百到数千平方厘米的电极面积，需要优化流动分布和温度控制。实验室规模的17.89 mA/cm²电流密度在放大时需要大幅增加电极面积并优化流动管理以保持效率。

3.3. 电解槽出口气流洗涤获得高纯度H₂

采用NaOH和邻苯三酚作为洗涤介质，分别吸收Cl₂和O₂。洗涤后氢气纯度达到94.7%，氧气含量降至0.14%，氯含量低于仪器检测限(≤10 ppm)。现场石蕊试纸测试也证实了氯气的完全去除。

3.4. 可能机制

在阴极发生析氢反应(HER)：2H₂O(l) + 2e^- → H₂(g) + 2OH^-

在阳极主要发生析氯反应(ClER)：2Cl^- → Cl₂(g) + 2e^-

同时可能发生析氧反应(OER)：2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e^-

生成的Cl₂与NaOH反应生成NaOCl：Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaOCl + H₂O

RuO₂和IrO₂的协同作用降低了OER过电位和催化剂电荷转移电阻，提高了阳极对氯腐蚀的抵抗能力。

4. 电解槽与整体效率

在中性介质中，使用非牺牲性Ti-MMO电极的电解效率为32-33%，而使用牺牲性Ni-SS电极效率达到53%。结合商业光伏面板(17%效率)和功能化光伏面板(20%效率)，整体效率分别在5.61-9.01%和6.6-10.6%之间。光伏技术成本是影响经济性的主要因素。

5. 电解槽技术的技术经济细节

采用生命周期成本(LCC)方法评估氢成本。Ti-TiMMO系统随着运行年限增加，氢成本从1年的135.21卢比/公斤下降到15年的10.52卢比/公斤。Ni-SS牺牲电极系统因持续阳极消耗，成本较高(1年283.39卢比/公斤，15年21.80卢比/公斤)。电极耐久性对经济性有决定性影响。

这项研究成功解决了盐水电解的两个关键挑战：高能耗和不稳定的阳极腐蚀问题。通过开发具有超疏气 electrocatalytic 界面的Ti-MMO基电极，增强了界面导电性、耐久性和气体释放能力，在高电流密度下提高了电解性能。与商业碱性水电解和最先进的海水电解器相比，电力成本降低了30-52%。研究展示了有效利用海洋中无限丰富的氢资源向碳中和氢经济迈进的现实意义。

该技术的创新之处在于直接利用盐水而非淡水进行电解，省去了昂贵的脱盐预处理步骤，特别适合沿海和干旱地区。电极材料的精心设计和优化确保了系统在苛刻的电化学环境中的长期稳定性。通过与太阳能光伏集成，实现了真正的绿色氢能生产，为可再生能源的储存和利用提供了有效途径。

虽然当前系统的电流密度相对于成熟的PEM和AEM电解器较低，但其独特优势在于能够直接处理盐水，避免了淡水依赖和预处理要求。随着电极材料和系统设计的进一步优化，盐水电解技术有望成为绿色氢能生产的重要组成部分，特别是在水资源受限但太阳能丰富的地区。

这项研究不仅提供了技术解决方案，还进行了详细的技术经济分析，为实际应用提供了重要参考。通过综合考虑初始投资、运行成本和系统寿命，证明了非消耗性电极在长期氢生产中的经济优势。未来工作可聚焦于进一步提高电流密度、优化系统集成和扩大示范规模，推动该技术向商业化应用迈进。