近日，我校物理科学与技术学院余颖教授课题组与美国休斯顿大学任志锋教授课题组合作，在海水净化和制氢领域取得了重要研究进展，相关成果发表在国际权威学术期刊《自然·通讯》 (DOI: 10.1038/s41467-019-13092-7; 详见https://www.nature.com/articles/s41467-019-13092-7 )。该论文的第一完成单位为华中师范大学物理科学与技术学院，第一作者是我校物理科学与技术学院毕业的博士研究生余罗，他目前在美国休斯顿大学从事博士后研究。
众所周知，人类生存所必需的淡水资源却极其有限，仅占全球总水量的3.5%左右，因此海水淡化就成为解决可饮用水资源短缺问题的一个重要途径，然而目前广泛使用的蒸馏法和膜处理法都存在成本过高的问题。此外，氢能是有望替代传统化石能源的新一代清洁能源，电解水是一种绿色且高效的大规模制备氢气的方法，但是目前几乎所有的体系都使用淡水资源作为电解液，这无疑加剧了淡水资源短缺问题。如果直接电解海水生产氢气，氢气作为燃料又会生产高纯度淡水，将同时实现海水净化和产氢的目的，可谓一箭双雕。然而，与淡水不同，海水成分非常复杂，其中高浓度的Cl离子不仅会在阳极与电解水的产氧反应（OER）发生竞争，更会严重腐蚀大部分含有金属元素的催化剂。因此，在极其有限的电解海水报道中，催化剂的活性和稳定性都比较差。如何研发廉价且高效的催化剂材料用于电解海水制氢就成为挑战性极高的研究课题。
图（a）热电器件驱动电解槽电解海水示意图；（b）不同电解液和温度下电解海水的性能测试结果；（c）热电器件驱动电解槽电解海水的性能测试结果。
针对以上挑战，余颖教授和任志锋教授课题组合作在近几年发表于Nano Energy （2018, 53: 492; 2017, 41: 327）、 Energy & Environmental Science （2017, 10: 1820; 热点论文）等关于电解淡水工作的基础上，选择过渡金属氮化物作为研究对象，将NiFeN纳米颗粒均匀地修饰在NiMoN纳米棒上面，在泡沫Ni基底上制备了NiMoN@NiFeN的三维核壳纳米结构电极，其中内部的NiMoN纳米棒的优异导电性保障了电荷快速高效地从NiMoN传输到NiFeN表面，外部的NiFeN纳米颗粒在OER过程中会原位形成一层无定形的NiFeOx和NiFeOOH，该无定形薄层不仅是OER真正的活性物种，也极大提升了催化剂的抗腐蚀性；此外，该催化剂独特的三维核壳纳米结构提供了超大的比表面积和丰富的活性位点，使得NiMoN@NiFeN催化剂在电解海水的OER过程中表现出优异的电催化活性和稳定性。我们进一步将该OER催化剂和另一产氢反应（HER）催化剂NiMoN组合搭建了一个碱性电解槽，用于全分解海水测试（图a）。在60℃的碱性海水中，电流密度达到工业要求的500和1000 mA/cm2时，所需电位分别是 1.608和1.709 V（图b），该性能优于目前所有的全分解海水的电解槽，而且该电解槽还可以高效地由一个热电器件（把热能转换为电能的装置）来驱动工作（图a），在温差分别是40、50和60℃条件下，该电解槽可以稳定输出相应的电流（图c），表明我们可以有效地利用废热来电解海水制氢，显示了广阔的应用前景。
上述研究得到了国家自然科学基金、武汉市应用基础研究计划项目以及中央高校基本科研业务经费的资助。
图文 余 颖
编辑 高玉茜
