海水制氢突破：全球首个“长期稳定碳纤维电极”出现！
发布日期：2025/8/21
首图来源：Dreamstime（AI生成）
氢能在工业脱碳中发挥重要作用，从炼钢到发电，各行各业都在探索利用氢能来减少碳排放。
然而，目前绝大多数氢气仍来自天然气重整，过程中会排放大量二氧化碳。
水电解制氢提供了一种可持续的生产方法，利用电能将水分解为氢气和氧气，尤其是在使用可再生能源驱动的情况下。
但目前大多数电解水系统仍然依赖淡水。由于气候变化、人口增长以及农业和工业的竞争需求，淡水资源面临越来越大的压力。
地球上的淡水本来就不够用，哪还能用来大量制氢？
于是，科学家们将目光投向了覆盖地球表面70%以上的海洋。海水中含有丰富的离子，导电性甚至比淡水更好，理论上更适合电解。
但海水电解有一个致命的难题：海水中的盐分（氯离子）、微生物和杂质会严重腐蚀电极，导致催化剂迅速失效。
尤其是在高电流密度下（这是工业化规模生产必须达到的条件），几乎没有哪种电极系统能扛得住海水的“折磨”。
不过，令人欣慰的是，韩国的研究人员表示，他们已经朝着解决这些问题迈出了重要一步。
韩国能源研究院（KIER）的Ji-Hyung Han博士团队最近开发出一种基于碳布（CC）的电极，并在碳布上构建了钌（Ru）修饰的CoMoOₓ催化剂（Ru/CoMoOₓ@CC）。
该电极材料实现了更加高效、稳定的碱性海水电解制氢。在工业级500 mA/ cm²电流密度下，该电极材料可保持稳定性能并运行800小时以上。
该发现凸显了Ru、Co、Mo和碳布之间独特的协同作用，展现了该催化剂在海水电解中高效、耐用的潜力。这些进展将为降低对贵金属的依赖、实现经济高效的制氢铺平道路。
来源：https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.163534
目前最常用且性能优异的电解催化剂是铂（Pt），但它价格昂贵、资源稀缺，根本无法大规模使用。于是，研究人员开始寻找铂的替代品，而钌（Ru）进入了他们的视野。
钌的价格只有铂的十分之一，吸附氢的能力却和铂相近，是个“低调的实力派”。不过，钌在碱性环境中的表现并不稳定，单独使用效果有限。
而这篇发表在《Applied Surface Science》上的论文提供了一种巧妙的思路：不单独使用钌，而是将它“镶嵌”到另一种廉价的金属化合物中，形成“协同作战”的团队。
他们选择的是钴（Co）和钼（Mo）的氧化物（CoMoOₓ），并将其生长在一种叫做“碳布”（Carbon Cloth, CC）的柔性导电基底上。
在海水电解中，电极基底对电极的效率和使用寿命起着决定性的作用。
金属基底在氯离子的存在下会迅速腐蚀。而碳布因其导电性、耐腐蚀性、柔韧性和成本效益而成为了一种替代方案。
但碳布电极也有着自身缺陷：现有的碳布电极难以承受500 mA/cm²以上的大电流运行超过100小时——这是工业应用的基本门槛。
研究团队通过优化酸处理工艺克服了这些阻碍。他们首先将碳布料浸泡在100°C的浓硝酸中一小时，使催化剂在其表面更容易“生根发芽”。
然后，研究人员通过水热法让钴、钼、钌在碳布上自发组装成纳米结构，最后经过退火处理增强稳定性。
整个流程简单、可控，而且能够扩大制备——这对未来的工业化应用至关重要。
来源：Korea Institute of Energy Research (KIER)
最终的实验结果令人振奋。在实验室测试中，这种被称为“Ru/CoMoOₓ@CC”的电极材料表现极其出色。
经过处理的碳布具有高度亲水性，可使钴、钼和钌离子均匀分布。即使钌含量仅为1%（重量比例），与传统的钴钼催化剂相比，该电极材料依然展现出更低的过电位。
而过电位的降低意味着更优异的电化学性能，可降低氢气生产的能源成本。
在天然海水电解液中，该电极材料仅需72mV的过电位就能实现10 mA/cm²的电流密度，而未添加钌的传统钴钼催化剂则需要195 mV的过电位。
更令人印象深刻的是，在500 mA/cm²的高电流密度下——这已经是工业级应用的指标——它能够连续运行超过30天而性能几乎不衰减。
来源：https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.163534
通过高分辨透射电镜和X射线光电子能谱分析，研究人员发现，钌的引入不仅提高了材料的导电性，还稳定了钴和钌的价态，使得催化剂在反应过程中能够“自我优化”：钴和钼的离子会自发还原成更活泼的价态，而钌则部分氧化形成氧化钌，进一步保护了材料结构。
韩教授表示：“这项技术应用是世界上首个实现在海水电解中使用碳布电极材料、并在工业级大电流条件下成功运行超过一个月的案例。”
“我们计划通过超过1,000小时的延长耐久性测试以及扩大到大面积电池模块和堆栈的研究，进一步将该技术推进到演示水平。” 韩教授补充道。
该团队还生产了25 cm²版本的电极，表明其具有工业模块的可扩展性。结合在真实海水条件下已证实的长期稳定性，这一发展可以加速海水电解的工业应用。
来源：环球零碳 作者：Bell
