钛基氧化还原电极在逆电渗析制氢系统中的应用与性能优化研究

《Membranes》：Experimental and Modeling Study of a Semi-Continuous Slurry Reactor–Pervaporator System for Isoamyl Acetate Production Using a Commercial Pervaporation Membrane

本文系统研究了采用新型尖刺结构钛基氧化还原电极替代传统钌铱涂层钛电极在逆电渗析（RED）氢电联产系统中的可行性。通过优化电极冲洗液（ERS）温度（15-45°C）、浓度（0.1-0.7 M）和流速（50-130 mL·min?1）等操作参数，使钛电极产氢效率达到贵金属电极的89.7%，同时成本降低60%以上，为RED技术规模化应用提供了经济高效的电极解决方案。

　　

引言：随着全球工业化进程加速，传统化石能源已无法满足日益增长的能源需求，盐度梯度能（SGE）作为一种清洁能源受到广泛关注。逆电渗析（RED）技术能够直接将海水与淡水间的化学势差转化为电能，并同步实现氢能生产。然而，RED技术广泛应用仍受限于昂贵的钌铱涂层电极。本研究提出采用钛基氧化还原电极替代传统贵金属电极，并通过新型尖刺结构加速氢气泡脱附，系统评估了钛电极在RED制氢系统中的电化学性能。

材料与方法：实验采用NaCl溶液作为工作溶液，其中稀溶液（LC）浓度为0.02 mol·L^?1，浓溶液（HC）浓度为4.50 mol·L^?1；电极冲洗液（ERS）为0.7 mol·L^?1NaOH溶液。RED膜堆由30对阴阳离子交换膜（CEMs/AEMs）及60个聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）网状隔板交替组成。新型尖刺电极通过3D打印技术制备，其表面分布24个规则三角锥形突起，有效增加了比表面积。

结果与讨论：

钌铱涂层钛电极性能分析：在0.26 A电流条件下，钌铱涂层钛电极产氢速率达113.4 mL·min^?1，较钛网和镍网电极分别提升14.27%和5.73%。RuO₂-IrO₂催化层通过优化氢吸附能（H*）和促进电子转移，显著提升了析氢反应（HER）和析氧反应（OER）效率。

钛基氧化还原电极性能优化：

温度影响：ERS温度从15°C升至45°C时，系统功率密度提升31.2%，产氢量增加14.1%。升温可降低溶液粘度、提高离子电导率，并通过阿伦尼乌斯方程（k∝e^?Ea/(RT)）加速反应动力学。

浓度影响：ERS浓度从0.1 M增至0.7 M时，输出电压和功率密度平均提升5.8%，但产氢效率下降。高浓度下离子间相互作用增强，导致溶液粘度上升，反而增加迁移阻力。

流速影响：ERS流速从50 mL·min^?1升至130 mL·min^?1时，功率密度提升18.6%。高流速可强化对流传质，减少电极表面浓度极化，但过高的流速会导致氢气泡滞留，增加系统能耗。

综合优化性能：在ERS温度45°C、浓度0.1 M、流速50 mL·min^?1的最优条件下，尖刺结构钛电极产氢效率达到钌铱涂层电极的89.7%，电极成本降低超60%。尖刺结构通过改变气泡成核位点与脱附角度，有效降低了电极表面气泡覆盖率，提升了反应界面利用率。

结论：本研究证实通过电极结构创新与操作参数优化，低成本钛基氧化还原电极可接近贵金属电极的产氢性能。该方案为RED技术的大规模商业化应用提供了重要的技术经济可行性支撑。