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破除海水电解制氢产业化瓶颈——北京化工大学抗可再生电力波动催化剂研发纪实 |
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| 更新时间：2025-03-18 来源： |
由可再生能源电力驱动的海水电解制氢是生产绿氢的重要方式，但可再生能源间歇性、波动性特点导致装置无法连续工作，而在装置停机期间还易发生阴极过度氧化和腐蚀问题。为解决上述问题，北京化工大学孙晓明教授团队设计出一种动态演变的抗波动催化剂，可在装置停机期间防范阴极氧化和腐蚀，并成功应用于兆瓦级海水电解制氢设备，为实现可再生电力驱动的电解海水制氢技术工业化提供了技术支持。该技术的相关研究成果3月6日发表于国际权威期刊《自然》。
让催化剂有“钝感”
在孙晓明的实验室里，一排不断冒着气泡、连接着不同电极接口的透明小瓶子吸引了记者的注意。“这是团队在测试波动条件下海水电解制氢的稳定性。”孙晓明团队成员周道金告诉记者，“这里的波动条件指的是海水制氢装置频繁启停的过程。在装置停车时，阴极可能会被过度氧化或被海水中的卤素离子腐蚀，需要稳定性更强的催化剂来保护。”
之前关于海水电解制氢的研究主要集中在阳极开发上，因为主流观点认为阴极在还原电位下工作，不受活性位点溶解或腐蚀反应的影响。而孙晓明团队发现，在停车工况下，可再生能源驱动的海水电解装置阴极存在反向电流，使得金属态的阴极催化材料容易被电解液中的氢氧根离子氧化、被卤素离子腐蚀，增加了设备的维护成本。
如何让催化剂性能更稳定、不易失活，进而适配可再生能源波动性特点?
研究团队设计出一种催化剂，具有磷酸盐和金属氧化物耦合的动态钝化结构，可有效抵抗停机工况下的氧渗透，阻止氢氧根离子对活性镍的过度氧化，解决了系统在停机时的反向电流问题。
来源：中国化工报 2025年03月18日
“该催化剂在实验室波动条件下稳定运行超过1万小时，在工业级电流密度测试条件下，电压增长率低于0.5%/千小时。该催化剂已经应用于兆瓦级电解海水制氢装置上。”该团队成员沙琪昊表示。
实现“无气泡”电解
海水电解过程中，氢气以气泡的形态排出。如果这些气泡覆盖了催化剂的活性位点，就会增加传质电阻、减缓电流增速。因此，优化气体在电极材料表面传质效率至关重要。
2014年，孙晓明团队设计了一种超疏气纳米阵列电极，减少了水电解过程中的气泡黏附，实现电解质与气体界面上的“无气泡”电解。为此，团队选择了超疏气金属纳米阵列作为基底，进行磷化处理后并在外层包覆了部分三氧化二铬异质结结构。
“这是因为磷化物具有高氧配位数和宽变价范围，在放电过程中可以配位最多4个结合氧，形成致密钝化层，抵抗氧渗透。三氧化二铬在碱性环境和高电压下稳定存在，丰富了催化剂最外层的钝化层结构，还可以防止阴极活性位点被过度氧化。”沙琪昊向记者展示了催化剂设计方案图，磷化物负责抵抗逆向电流的氧化，三氧化二铬负责抵抗跨膜溶解氧的氧化，二者“携手”保护启停工况下的阴极电极。
产业化应用落地
从实验室跨越到工业生产环节绝不是一帆风顺的，记者看到，实验室里摆放着不同尺寸的电解槽。“所有的实验都是从这个仅有1平方厘米工作面积的电解槽上开始的。”周道金说，“从中筛选出实验效果较好的材料，在更大的电解槽上进行实验，通过不断调节实验参数，直至该工艺成功应用在兆瓦级电解海水制氢装置上。”
在初试产业化时，面对阴阳极产气不均带来的氢侧分离与氧侧分离的液位差过大等问题，团队设计了新型气液分离器，使得气液分离效果大幅提升，保障了电解系统的安全性。此外，因为海风具有盐雾腐蚀情况，制氢设备表面容易形成薄液体膜，海上的盐分增加了液体膜的导电性能，进而加速设备腐蚀。为此，团队在设备表面做了一些特殊防腐蚀处理，以抵抗海风盐雾对于电解设备的腐蚀。
近年来，孙晓明团队与中海油合作建设了世界首台兆瓦级海水制氢装置；与深能源合作了500千瓦电解海水制氢装置；与中广核合作建设的可再生能源孤网海水直接制氢系统，是我国首个电解海水制氢与海洋牧场结合的项目。这些产业化探索项目的各项技术指标均符合生产要求，为我国海上可再生能源利用提供了新路径。
2025年2月，常州西太湖科技产业园内，该团队和氢致能源(江苏)有限公司投建的海水制氢电解槽设备生产基地一期正式投产，目前已经完成了基地第一条电解槽自动化生产线的安装调试。该基地将根据市场需要，在未来3年新增3至5条生产线，在5年内具备吉瓦级/年的生产能力。
谈及未来，孙晓明表示，目前直接海水电解制氢技术依旧缺乏规模化的海上验证实验，团队将在这个方向持续发力，开展每小时千标方的直接电解海水验证实验，走好可再生电力驱动的海水电解制氢技术工业化之路。
来源：中国化工报 2025年03月18日
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