研究背景

最近，一种有趣且可以不经过净化步骤直接分解水的方法被报道(图2)。研究人员以一种独特的方式将这两步过程结合起来，简化了电化学海水分裂。该过程包括被动的正向渗透，促进海水的持续分裂，以名义效率损失。虽然这种水分解方式为海水直接裂解提供了一种新的方法，但它扔暴露了一些不足之处，影响其在实际应用中的前景。第一，此系统中电极之间没有分隔装置。这将导致产生的氢气和氧气的混合，有引起爆炸的危险。此外，分离产生的H₂和O₂气体还需要额外的步骤。第二，由于正渗透和反渗透膜不具备完全的选择性，因此氯离子仍有可能穿过正渗透膜，在阳极被氧化。第三，穿过正向渗透膜的浓度梯度可能导致溶质反向流动，从而使磷酸盐缓冲液流失到海水中，这可能影响经济和环境方面的问题。

图2. 正向渗透水分解电池示意图（A）电解池的基本组成，（B）正向渗透水分解电解池的基本工作原理。

在淡水裂解中，PEM是一种成熟的技术，具有商业价值，更适合大规模应用。性能稳定，使用寿命可达8-10年。PEM的典型放电H₂压力(bar)为30-80 bar，这有利于直接在PEM燃料电池上使用产生的H₂，按需进行电力再生。该电解槽结构紧凑，内阻小，电流密度高，可达2.5 A/cm²。此外，PEM的氢气渗透性较低，产生的H₂纯度可达到99.999%。此外，在没有水溶液电解质的情况下，PEM电解槽可以快速响应输入功率。PEM的额定功率为1.8-174 kW。但在酸性介质中，氯离子氧化反应与OER反应相竞争。这使得PEM用于海水分离几乎是不可能的。另一方面，AEM电解槽仍处于研发阶段，但与PEM不同，AEM电解槽使用的低成本的材料而非贵金属，因此成本更低。并且，AEM的常规电流密度可达0.5 A/cm²，其额定功率范围是1.3-4.8 kW，并且其产氢纯度可达99.99%。但是，该技术的稳定性较低，也不适合大规模应用。

由于海水的pH值接近中性。在中性的pH值下，PEM或AEM将不起作用；此外，海水中的杂质会破坏膜，因此需要额外的海水净化步骤。然而，在pH值中性的条件下进行电解是可取的，首先在中性电解水的情况下不太可能发生与强碱性或酸性电解质有关的安全问题。其次中性的环境可以使用较便宜的材料来构建电解池和通常在酸性或碱性介质中受到腐蚀的催化剂。由于无辅助膜电解槽不使用任何易受杂质影响的辅助膜，因此其具有直接用于DSS的潜力。而且电解质的pH值和离子的性质不影响通过液体电解质的离子传导。所以，无辅助膜电解池可用于任何pH的溶液环境中。图3描述了无辅助膜电解池的例子。

图3. 无辅助膜电解池的不同类型。

虽然无辅助膜电解池有许多优点，但仍有一些不足。例如，在高工作电流密度下，无辅助膜电解池由于溶液IR损失通常具有较低的电压效率。无辅助膜电解池两电极之间的距离远高于PEM电解池中Nafion膜的电极之间的距离。虽然添加的电解液，即浓缩H₂SO₄和KOH电解质的离子电导率高于PEM或AEM，但不能补偿距离的影响。较大的距离导致离子传输时溶液的欧姆电阻(R_s)较高。这就导致了更高的欧姆电压损耗。在这种情况下，微流体的无辅助膜电解池由于电极间隙非常窄，是一种很有前途的替代方案(图4)。

图4. 微流体的无辅助膜电解池示意图。

Davis等人报道了一种有趣的无辅助膜电解池设计，他们的策略是基于使用浮力驱动分离在网格电极上产生的氢和氧气泡。他们报告H₂交叉比例最低为1%。在浮动PV-电解模块中，在0.5 M H₂SO₄中实现了5.3%的太阳能制氢效率。此外，Rarotra等人使用了y形微流体的电解池，其中电极位于y形臂上。他们运行了直流电源的电解池，使用海水的光伏电源。但由于在白天太阳照明的波动，因此光伏电池与海水的组合产生的氢气量很低。不仅如此，Rarotra等人还将他们的电解池与光伏电池集成在一起。“开放式”电解池(OME)由一对石墨电极限制的微通道组成。

将浓缩电池的概念(其中两种不同的浓度可用于为自发流创建浓度梯度)与微流体的无辅助膜装置相结合，微流体的无辅助膜浓缩电池可以直接利用海水，而无需单独的反渗透净化步骤。为此，我们在图5中提出了一种新的电解池设计。

图5. 一种基于FO的微流体的无辅助膜电解池的新设计。

研究人员设想浓度梯度可以潜在地用于微流体的无辅助膜系统。基于这种认识，本文提出了一种新的设计，在海水电池中有潜在的应用前景。这将为单步海水直接裂解(DSS)技术开辟新的战略研究方向。