海水是地球上最丰富的资源之一，使用可再生能源输入的电化学海水电解是一种非常理想的、可持续的大规模生产氢气的绿色方法。然而，由于电极侧反应和海水复杂组分引起的腐蚀问题，其耐久性不足，严重挑战了其实际可行性。尽管使用聚阴离子涂层来抑制氯离子的腐蚀或设计高选择性的电催化剂的催化剂工程已被广泛利用，并取得了一定的成功，但它们仍不能满足实际应用。另外一种策略是使用预淡化工艺的间接海水分解，该方法可以避免副反应和设备腐蚀问题，但需要额外的消耗能源，经济性大大降低。此外，独立笨重的海水淡化系统使海水电解系统也极大限制了实际应用。

近日，深圳大学/四川大学谢和平院士与南京工业大学邵宗平教授联合提出了一种直接海水电解制氢的方法，从根本上解决了副反应和腐蚀问题。研究表明，示范海水电解系统（seawater electrolysis system, SES）在实际应用条件下以250 mA/cm^-2的电流密度稳定地运行了3200小时，没有出现任何故障。这一策略以类似于淡水分离的方式实现了高效、简便和可扩展的海水直接电解，而运营成本没有明显增加，具有很高的应用潜力。重要的是，这种装置和机制有望进一步应用于同时进行的污水处理、资源回收和产氢。该论文以题为“A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation”发表在知名期刊Nature上，谢和平院士为本论文第一作者兼通讯作者，深圳大学为第一单位。

图一、SES设计示意图 © 2022 Springer Nature

图二、连续高效电解原理 © 2022 Springer Nature 

图三、规模化与通用性 © 2022 Springer Nature

综述所述，研究人员展示了一种可扩展的、无副反应和无腐蚀的海水直接电解策略，在一个系统中实现了原位自驱动水净化和水电解。其关键技术是将自透气防水膜和SDE纳入电解槽中。由于海水和SDE之间的水蒸气压力差异，水从海水中穿过膜到SDE的迁移是通过液-气-液相变机制自我驱动的。这种独特的水净化机制确保了100%的离子阻断效率，膜的疏水性导致了防污能力，微米级的气体扩散路径使水的迁移率很高。作为演示，实验室规模的SES稳定地运行了72小时，RFE接近100%。规模化的SES具有386 L/h的制氢能力，在250 mA/cm^-2的条件下稳定运行超过3200小时，能耗低至5.0 kWh Nm⁻³ H₂，并且没有观察到明显的电催化剂腐蚀或膜湿润。通过应用固体吸湿性SDE和较低的过电位催化剂，这一策略在未来可能会适应能源密集型工业生产，并可用于污水处理和资源回收，同时还可进行一步法制氢。可以预见，进一步扩大这种基于相变的水迁移策略，将导致从海水或非纯水中开发出先进的氢气生产的实际应用。