近日，中国海洋大学化学化工学院孟祥超教授课题组在海水电解制氢研究方向取得新进展。相关研究成果以“Direct Natural Seawater Electrolysis through a Photoinduced Asymmetric Electric Field ”（光诱导不对称电场促进天然海水直接电解）为题，发表在国际顶尖期刊Journal of the American Chemical Society（《美国化学会志》）。

氢能作为一种零碳、高热值的清洁能源，在全球能源转型和应对气候变化方面扮演重要角色。由于海水资源占地球水储量的96.5%，因此天然海水直接电解是获取绿氢的理想途径。然而，其工业化进程受到阴极沉淀附着和水解离动力学缓慢的限制，需要合理的策略来破坏界面氢键网络，以实现有效的OH⁻扩散通道和界面水分子构型的重新调整。

本研究提出了一种基于光诱导不对称电场（PAEF）来调控界面水分子构型的有效策略。首先，PAEF在光照条件下能够动态调整界面水氢键网络，形成OH⁻扩散通道并促进水分子的重新排布。进而促使OH⁻向海水中的快速扩散；同时，通过增加的水合钠离子能够将界面水分子重新调整为H-down构型，进而缩短H与活性位点间的间距，降低水解离的动力学能垒。最终，经实验验证，所制备的光响应催化剂体系在AM 1.5G光照下表现出优异的天然海水析氢性能（299 mV@100 mA cm-2）。同时，基于PAEF效应的催化体系表现出优异的抗沉淀能力，能够在连续运行100小时（100 mA cm-2）后活性衰减< 5%。此外，本工作进一步设计构建了一种光辅助不对称电解槽（阴极室为天然海水，阳极室为NaOH溶液），在2.35V（60°C）下即可达到0.5 A cm-2的电流密度。同时，将电催化系统与太阳能电池模块集成后，在波动光照条件下仍能保持良好兼容性及高STH转换效率（>10%）。该工作为天然海水电解提供了一条有效的新路径。

中国海洋大学为该研究成果的第一完成单位，孟祥超教授为唯一/独立通讯作者，文章第一作者是化学化工学院2023级海洋化学工程与技术专业博士生赵展。研究工作得到了人社部留学回国高层次人才资助项目、国家自然科学基金、山东省自然科学基金、青岛市自然科学基金自由探索项目以及学校优秀青年科学基金培育计划等项目经费的大力支持。

PAEF反应机制与绿氢生产系统集成研究

孟祥超教授课题组成员合影

文章链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c05372