论文赏析‖基于水凝胶复合电催化剂的水蒸气电解槽实现从非传统水源直接制备绿氢

发布时间：2026-03-13

浏览量：

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.5c02884
第一作者：曹梓铭（浙江大学）
通讯作者：史乐（浙江大学），翁小乐（浙江大学），Bruce E. Logan（美国宾夕法尼亚州立大学）
研究亮点
一：提出水蒸气电解新策略，通过局部加热构建温差驱动体系，利用防水透气膜（PTFE）实现非传统水源的原位水相变与杂质隔离，彻底解决了非传统水源中杂质引发的副反应与腐蚀问题，突破了传统电解对超纯水的依赖。
二：设计基于镍泡沫载体的水凝胶复合电催化剂，其强吸湿性能与超亲水性显著提升水蒸气吸附、保留与传质效率，解决了传统水蒸气电解系统传质受限的关键瓶颈，同时电极保持了原有电催化剂的本征活性，实现传质与催化活性的协同优化。
三：在纯水水蒸气供给下，水蒸气电解系统（WVES）可实现高达500m Acm⁻²的电流密度（为以往低温水蒸气电解系统的15～19倍），且在150mA cm⁻²条件下连续稳定运行超60小时；法拉第效率接近100%（H₂为99.9±0.1%，O₂为99.7±0.2%），其电流密度、耐久性均刷新了低温水蒸气电解系统的性能纪录。
四：不仅适用于纯水，还能稳定适配模拟盐水（0.05～1.0M NaCl）及真实非传统水源（苦咸水、海水、工业废水），在100mA cm⁻²条件下，模拟海水体系可连续运行超40小时，真实水源体系可连续运行超20小时，无盐积累与腐蚀问题，展现出极强的水源适应性与实际应用潜力。
五：通过省去独立水处理系统与长途输氢成本，相较于传统集中式 PEM 电解槽，降低4.5～6.5 USD kg⁻¹的氢气平准化成本和0.29kg CO₂-eq kg H₂⁻¹的碳排放；其低温运行特性（无需高温加热）适配太阳能、工业余热等低品位能源，完美契合低成本、低碳的分布式制氢场景，为去中心化氢能经济提供了可行方案。

图1 水蒸气电解系统（WVES）的核心原理示意图

测试方法
析氧反应（OER）与析氢反应（HER）的电化学性能测试
评估水凝胶在复合电极中作用的所有电化学测试均使用DH7003B电化学工作站，采用典型三电极体系，所有测试前，向电解液中通入氮气吹扫10分钟以除氧。线性扫描伏安法和循环伏安法测试的扫描速率均为5mV s⁻¹，电解液电阻通过开路电位下相对于 Hg/HgO 电极的阻抗测试确定。所有电化学测试均在25℃下进行。

水蒸气电解系统（WVES）的电解性能测试
水蒸气电解系统（WVES）的所有电化学测试均使用DH7003B电化学工作站。每次测试前，让系统在开路状态下运行至少1小时，确保水蒸气供应稳定并达到稳态。采用 WVES 装置，通过恒电流法测试了有无水凝胶涂层的电催化剂在去离子水产生的水蒸气中的稳定性，测试电流密度为50mA cm⁻²和150mA cm⁻²，分析阴阳极之间的对应电压变化。
系统的极化曲线通过恒电流法测定，每个电流密度下持续测量电解槽电压至少2小时。电化学阻抗谱的测试频率范围为100kHz～0.1Hz，振幅为0.01V，通过重复测试验证数据的可重复性。在无水蒸气供应的WVES中，以150mA cm⁻²的电流密度运行不同时长（0秒、450秒、800秒）后，收集水凝胶复合电催化剂样品用于差示扫描量热测试。
为验证 WVES 在不同水源中的适用性，以合成盐水及天然非传统水源（海水、工业废水、苦咸水）作为进料水源。在100mA cm⁻²的电流密度下，通过恒电流法测试了系统在上述水源中的适用性和稳定性；同时，在相同条件下进行了无凝胶涂层、相同阴阳极的水蒸气电解对比测试。此外，在密封电解池中，以0.5M NaCl溶液为电解质，进行了无凝胶涂层、相同阴阳极的直接盐水电解对比测试。
测试结果

图2 WVES的电化学性能与稳定性评估

作者搭建了实验室规模的WVES并研究其电化学性能。结果显示，WVES在150mA cm⁻²的高电流密度下，可从水蒸气中稳定制氢超过60h（图2b）。该电流密度是以往水蒸气电解系统（<20 mA cm⁻²）的15～19倍，且能长期稳定维持，彰显了其优异的耐久性（图2c）。相比之下，无凝胶涂层的泡沫镍（NF）基电催化剂在50mA cm⁻²电流密度下，10分钟内性能便快速衰减（图2b插图），这证明水凝胶的吸湿性能是保障WVES耐久性的关键。
随着电流密度从10mA cm⁻²提升至500mA cm⁻²，电解槽电压范围从1.57 ± 0.01V变化至3.01 ± 0.1V（图2d），该电流密度创下现有纯水蒸气进料电解系统的最高纪录。产气测试结果表明，在100mA cm⁻²电流密度下，氧气和氢气的法拉第效率分别达到99.7 ± 0.2%和99.9 ± 0.1%（图2e）。

图3 NF、NiMoN_NF 和 P-NiMoN_NF 的HER和OER性能

水凝胶在复合电极中的作用首先通过析氧反应（OER）和析氢反应（HER）性能进行探究。P-S/NiFe_NF的OER活性（η₁₀₀=411mV，塔菲尔斜率=510mV dec⁻¹）与 S/NiFe_NF（η₁₀₀=425mV，塔菲尔斜率=515mV dec⁻¹）相近。P-NiMoN_NF的HER活性（η₁₀=105mV，塔菲尔斜率=197mV dec⁻¹）略低于 NiMoN_NF（η₁₀=67mV，塔菲尔斜率=176mV dec⁻¹），这归因于P-NiMoN_NF的欧姆电阻略有增加，这一结果验证了水凝胶的引入保留了电催化剂的本征电化学活性。

图4 不同非传统水源下的水蒸气电解表现

为验证WVES在不同水源中的适用性，采用合成微咸水（0.05M NaCl）、海水（0.5M NaCl）和高盐废水（1.0M NaCl）作为进料水源。在100mA cm⁻²的电流密度下，该系统稳定产氢超过10小时（图4a）。1 小时内产生的氢气总量为99.82 ± 0.01mL，氧气总量为49.91±0.01mL，表明在100mA cm⁻²的电流密度下，不同水源对应的氢气法拉第效率（FE）为99.93 ± 0.01%，氧气法拉第效率为99.92 ± 0.01%（图4b）。在100mA cm⁻²的电流密度下，WVES利用合成海水稳定产氢超过40小时（图4c），这验证了该系统对不同水源的适用性。始终较低的高频阻抗（HFR）值表明，WVES 运行过程中离子交换膜保持良好的水合状态，这归因于水凝胶优异的保水和控释性能，以及稳定的水蒸气生成与迁移条件（图4d）。
基于达西定律和法拉第定律，作者进一步建立了模型，以探究WVES中水蒸气的传质过程及影响因素（图4e）。该模型描述了在聚四氟乙烯（PTFE）膜两侧不同蒸气压差和温度差条件下，水蒸气电解与水蒸气迁移之间的关系。基于该模型，估算了不同水源下WVES的理论最大电流密度。当温度差处于1.54～1.65K范围时（图4f），对应的蒸气压差为1.35～1.52kPa，水迁移速率为0.063～0.071mg s⁻¹ cm⁻²，此时理论最大电流密度估算值为2.78～3.12A cm⁻²（图 4f）。这些结果表明，在局部温度升高和水蒸气压力梯度的驱动下，水蒸气迁移速率理论上能够支持WVES达到商业化水平的电流密度。该模型将为后续实验优化提供理论基础。
研究总结
该研究开发了一种基于水蒸气电解系统（WVES）的分布式制氢策略，通过局部加热相变实现原位水净化、水凝胶复合电催化剂强化水蒸气传质，可直接利用非传统水源稳定产氢（最高电流密度500mA cm⁻²，150mA cm⁻² 下稳定运行超60h），且相比传统集中式PEM电解槽降低4.5～6.5USD kg⁻¹的氢气平准化成本和0.29kg CO₂-eq kg H₂⁻¹的碳排放，具有技术可行性、经济优势和环境可持续性。
作者简介
史乐
浙江大学环境与资源学院“百人计划”研究员，博士生导师，入选国家级海外青年人才项目，本科毕业于哈尔滨工业大学，博士毕业于沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST），博士后任职于美国宾州州立大学（PSU）。聚焦非常规水源资源化利用技术及非二温室气体资源化利用技术开展研究，在Energy and Environmental Science、Science Advances、Journal of the American Chemical Society、ACS Energy Letters、Environmental Science and Technology、Water Research等期刊发表SCI论文50余篇，成果入选最新版Freeman’s Biological Science Textbook, 并被美国国家科学基金官网、EurekAlert（AAAS）等多家国际媒体广泛报道，主持国家自然科学基金、浙江省重点基金等项目，担任Chinese Chemical Letters青年编委，学术期刊Chemical Engineering Journal Advances客座编辑。
翁小乐
本科和博士分别毕业于哈尔滨工业大学和英国伦敦大学玛丽女皇学院，2009年进入浙江大学开展科研工作。研究主要针对气态污染物分子的非均相催化控制，聚焦有机氯及碳氢化合物定向转化过程的次生污染消除与微纳催化材料开发，通过催化剂设计合成，分子反应机制解析，反应中间物种探测，产物选择性调控，实现污染物高效净化及资源化利用。迄今课题组已在Environ. Sci. Technol.等环境领域权威期刊发表SCI论文60余篇。作为主要任务负责人参与“十三五”国家重点研发计划项目2项，“十二五”国家863计划项目1项，承担国家自然科学优秀青年基金1项，面上基金2项、青年基金1项，以及浙江省杰出青年基金1项。
Bruce E. Logan
国际环境领域知名专家教授，美国工程院院士，微生物电化学研究领域的领军人物，任环境领域顶级知名杂志Environmental Science & Technology 常务副主编(前任)、Environmental Science & Technology Letters 主编，多个ESI知名期刊杂志编辑。Environmental Science & Technology杂志也是长期处于环境/生态学ESI领域他引频次Top-1的期刊。Logan教授致力于开发新的微生物电化学技术，实现水处理过程的能源可持续性。发明了微生物电解池可持续产氢技术，低压脱盐技术以及在微生物反向电渗析技术。