南大朱嘉團(tuán)隊(duì)NSR：界面太陽(yáng)能蒸汽電解技術(shù)實(shí)現(xiàn)海水高效穩(wěn)定制氫

第一作者：曾夢(mèng)越、基立峣、徐煒超

通訊作者：朱嘉、張星、徐凝

通訊單位：南京大學(xué)

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導(dǎo)讀

近日，南京大學(xué)朱嘉教授團(tuán)隊(duì)在National Science Review (NSR) 上發(fā)表題為“Interfacial solar vapor electrolyzer for efficient and durable hydrogen production directly from seawater”的研究論文。該工作提出并報(bào)道了一種界面太陽(yáng)能蒸汽電解器（Interfacial Solar Vapor Electrolyzer, ISVE）。該裝置通過(guò)協(xié)同利用光伏電力及其產(chǎn)生的余熱，實(shí)現(xiàn)海水的原位純化與電解制氫，在無(wú)需淡水和復(fù)雜預(yù)處理的條件下，達(dá)到15.2% 的太陽(yáng)能—?dú)淠埽⊿TH）轉(zhuǎn)換效率，并可穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò) 1400 小時(shí)。該研究突破了傳統(tǒng)海水電解體系中長(zhǎng)期存在的腐蝕與膜污染難題，為太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的直接海水制氫提供了高效、穩(wěn)定且低成本的新方案，為綠色能源的可持續(xù)發(fā)展開(kāi)辟了新的技術(shù)路徑。

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研究背景

綠色制氫被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)全球能源脫碳與可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，其中太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)電解水制氫因其清潔、可再生的特性備受關(guān)注。然而，現(xiàn)有電解體系普遍依賴(lài)淡水，而淡水資源在全球范圍內(nèi)日益緊缺。海水雖然儲(chǔ)量豐富，但其復(fù)雜的離子成分會(huì)導(dǎo)致電極腐蝕和膜污染，嚴(yán)重限制直接海水電解的效率與穩(wěn)定性。

近年來(lái)，界面光熱蒸發(fā)技術(shù)（interfacial solar evaporation）因能高效產(chǎn)生純凈水蒸氣而受到關(guān)注，本研究受這一思路啟發(fā)，設(shè)計(jì)了界面太陽(yáng)能蒸汽電解器（ISVE），利用光伏電池產(chǎn)生的余熱驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)，使海水在裝置內(nèi)部轉(zhuǎn)化為高純熱蒸氣，直接進(jìn)入電解槽進(jìn)行分解產(chǎn)氫。以蒸汽作為反應(yīng)物，在熱力學(xué)上可降低反應(yīng)的自由能需求，在動(dòng)力學(xué)上避免氣泡阻滯，大幅提高能量利用效率與體系穩(wěn)定性。

往期綠色制氫相關(guān)內(nèi)容：

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核心內(nèi)容

一、ISVE工作原理與設(shè)計(jì)

ISVE自上而下由光伏電池、供水防污染層（WCL）和質(zhì)子交換膜（PEM）電解池構(gòu)成。光伏電池在發(fā)電的同時(shí)利用余熱驅(qū)動(dòng)WCL中的海水蒸發(fā)形成高溫純凈蒸汽，作為電解反應(yīng)原料，多余鹽分則經(jīng)微通道回流至主體海水。

理論曲線表明，高溫蒸汽可降低水分解的平衡可逆電壓，且氣-固界面反應(yīng)有效避免液態(tài)體系中氣泡遮擋活性位點(diǎn)的問(wèn)題，從設(shè)計(jì)根源解決傳統(tǒng)系統(tǒng)缺陷。

圖1. ISVE的設(shè)計(jì)

二、蒸汽電解優(yōu)勢(shì)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證了蒸汽作為電解反應(yīng)原料的顯著性能優(yōu)勢(shì)。以海水和其純化蒸汽為對(duì)比體系，結(jié)果顯示：蒸汽電解在100 mA·cm?2電流密度下可穩(wěn)定運(yùn)行72小時(shí)，電壓幾乎無(wú)波動(dòng)；而傳統(tǒng)液態(tài)海水電解體系因氯離子導(dǎo)致的催化劑毒化、膜阻塞等問(wèn)題，1 小時(shí)內(nèi)電壓即迅速升高。

進(jìn)一步比較分析純水與純化蒸汽作為反應(yīng)物的iR校正極化曲線和Tafel斜率可知，在相同溫度下，蒸汽電解具有更低的起始電壓與更優(yōu)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征。隨著溫度升高，這一優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步增強(qiáng)，充分體現(xiàn)了蒸汽電解在穩(wěn)定性、熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)方面的綜合優(yōu)越性。

圖2. 蒸汽電解的優(yōu)勢(shì)

三、ISVE系統(tǒng)的構(gòu)建

ISVE的關(guān)鍵組件——水供應(yīng)與防污染層（WCL）由親水棉無(wú)紡布與疏水PVDF納米纖維復(fù)合而成。該雙層結(jié)構(gòu)利用毛細(xì)力實(shí)現(xiàn)連續(xù)供水，同時(shí)防止液態(tài)滲透，確保高通量純凈蒸汽傳輸。ICP-OES測(cè)試結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)WCL蒸發(fā)的水蒸氣中Na?、Mg2?、Cl?等離子濃度較渤海原海水降低數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，展現(xiàn)出優(yōu)異的原位純化能力。

同時(shí)，系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果表明，當(dāng) F 值（電解池 / 蒸發(fā)面積與光伏面積的比值）設(shè)定為 1/16 時(shí)，可在蒸汽產(chǎn)量、器件制造成本與電解效率之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡。

圖3. ISVE的構(gòu)建

四、ISVE性能表現(xiàn)

采用硅基光伏組件（PCE = 16.9%）的ISVE實(shí)現(xiàn)了11.1% 的STH效率；使用高效Ge/GaInAs/GaInP三結(jié)電池（PCE = 26.6%）時(shí)，效率提升至15.2%，并在連續(xù)光照下穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)1400小時(shí)。相比之下，傳統(tǒng)PV-EC體系在海水環(huán)境中效率快速下降。長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試表明，ISVE在直接使用海水時(shí)性能幾乎無(wú)衰減，充分驗(yàn)證了其耐久性與實(shí)際應(yīng)用潛力。

圖4. ISVE的性能

五、實(shí)際應(yīng)用潛力

結(jié)合戶(hù)外測(cè)試與理論模擬，展示了ISVE的實(shí)際可行性與提升空間。在南京大學(xué)校園的戶(hù)外測(cè)試中，ISVE在自然光照下保持約11%的STH效率，氫氣產(chǎn)量是以海水直接作為反應(yīng)物時(shí)的4.3倍。理論模擬結(jié)果表明，隨著光伏效率與熱-蒸氣轉(zhuǎn)換效率的提高，ISVE的理論STH效率可超過(guò)30%，遠(yuǎn)超美國(guó)能源部設(shè)定的20%技術(shù)目標(biāo)，顯示出極高的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖5. ISVE的實(shí)用性

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總結(jié)

該研究設(shè)計(jì)了一種界面太陽(yáng)能蒸汽電解器（ISVE），通過(guò)耦合光伏發(fā)電、界面蒸發(fā)與蒸汽電解，可直接從海水中實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定地產(chǎn)生綠色氫氣。純凈熱蒸汽作為反應(yīng)物提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低了反應(yīng)勢(shì)壘，從而提高了光制氫效率（STH），實(shí)現(xiàn)了15.2%的STH效率，并在直接使用海水條件下穩(wěn)定運(yùn)行1400小時(shí)。

未來(lái)，通過(guò)更合理地管理光、電子、熱和水，結(jié)合新型耐用低成本催化劑、適配蒸汽電解的離子膜以及高效光伏和蒸發(fā)材料，ISVE的效率和穩(wěn)定性有望進(jìn)一步提升，并將推動(dòng)ISVE從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用，助力綠色氫能大規(guī)模發(fā)展。

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