由可再生能源電力驅動的海水電解制氫是生產綠氫的重要方式，但可再生能源間歇性、波動性特點導致裝置無法連續工作，而在裝置停機期間還易發生陰極過度氧化和腐蝕問題。為解決上述問題，北京化工大學孫曉明教授團隊設計出一種動態演變的抗波動催化劑，可在裝置停機期間防范陰極氧化和腐蝕，并成功應用于兆瓦級海水電解制氫設備，為實現可再生電力驅動的電解海水制氫技術工業化提供了技術支持。該技術的相關研究成果3月6日發表于國際權威期刊《自然》。
讓催化劑有“鈍感”
在孫曉明的實驗室里，一排不斷冒著氣泡、連接著不同電極接口的透明小瓶子。“這是團隊在測試波動條件下海水電解制氫的穩定性。”孫曉明團隊成員周道金介紹，“這里的波動條件指的是海水制氫裝置頻繁啟停的過程。在裝置停車時，陰極可能會被過度氧化或被海水中的鹵素離子腐蝕，需要穩定性更強的催化劑來保護。”
之前關于海水電解制氫的研究主要集中在陽極開發上，因為主流觀點認為陰極在還原電位下工作，不受活性位點溶解或腐蝕反應的影響。而孫曉明團隊發現，在停車工況下，可再生能源驅動的海水電解裝置陰極存在反向電流，使得金屬態的陰極催化材料容易被電解液中的氫氧根離子氧化、被鹵素離子腐蝕，增加了設備的維護成本。
如何讓催化劑性能更穩定、不易失活，進而適配可再生能源波動性特點?
研究團隊設計出一種催化劑，具有磷酸鹽和金屬氧化物耦合的動態鈍化結構，可有效抵抗停機工況下的氧滲透，阻止氫氧根離子對活性鎳的過度氧化，解決了系統在停機時的反向電流問題。
“該催化劑在實驗室波動條件下穩定運行超過1萬小時，在工業級電流密度測試條件下，電壓增長率低于0.5%/千小時。該催化劑已經應用于兆瓦級電解海水制氫裝置上。”該團隊成員沙琪昊表示。
實現“無氣泡”電解
海水電解過程中，氫氣以氣泡的形態排出。如果這些氣泡覆蓋了催化劑的活性位點，就會增加傳質電阻、減緩電流增速。因此，優化氣體在電極材料表面傳質效率至關重要。
2014年，孫曉明團隊設計了一種超疏氣納米陣列電極，減少了水電解過程中的氣泡黏附，實現電解質與氣體界面上的“無氣泡”電解。為此，團隊選擇了超疏氣金屬納米陣列作為基底，進行磷化處理后并在外層包覆了部分三氧化二鉻異質結結構。
“這是因為磷化物具有高氧配位數和寬變價范圍，在放電過程中可以配位最多4個結合氧，形成致密鈍化層，抵抗氧滲透。三氧化二鉻在堿性環境和高電壓下穩定存在，豐富了催化劑最外層的鈍化層結構，還可以防止陰極活性位點被過度氧化。”沙琪昊展示了催化劑設計方案圖，磷化物負責抵抗逆向電流的氧化，三氧化二鉻負責抵抗跨膜溶解氧的氧化，二者“攜手”保護啟停工況下的陰極電極。
產業化應用落地
從實驗室跨越到工業生產環節絕不是一帆風順的，從中篩選出實驗效果較好的材料，在更大的電解槽上進行實驗，通過不斷調節實驗參數，直至該工藝成功應用在兆瓦級電解海水制氫裝置上。在初試產業化時，面對陰陽極產氣不均帶來的氫側分離與氧側分離的液位差過大等問題，團隊設計了新型氣液分離器，使得氣液分離效果大幅提升，保障了電解系統的安全性。此外，因為海風具有鹽霧腐蝕情況，制氫設備表面容易形成薄液體膜，海上的鹽分增加了液體膜的導電性能，進而加速設備腐蝕。為此，團隊在設備表面做了一些特殊防腐蝕處理，以抵抗海風鹽霧對于電解設備的腐蝕。
近年來，孫曉明團隊與中海油合作建設了世界首臺兆瓦級海水制氫裝置；與深能源合作了500千瓦電解海水制氫裝置；與中廣核合作建設的可再生能源孤網海水直接制氫系統，是我國首個電解海水制氫與海洋牧場結合的項目。這些產業化探索項目的各項技術指標均符合生產要求，為我國海上可再生能源利用提供了新路徑。
2025年2月，常州西太湖科技產業園內，該團隊和氫致能源(江蘇)有限公司投建的海水制氫電解槽設備生產基地一期正式投產，目前已經完成了基地第一條電解槽自動化生產線的安裝調試。該基地將根據市場需要，在未來3年新增3至5條生產線，在5年內具備吉瓦級/年的生產能力。
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