Efficient bubble/precipitate traffic enables stable seawater reduction electrocatalysis at industrial-level current densities

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作者
Jie Liu,Zhengwei Cai,Zixiao Li,Yongchao Yao,Yongsong Luo,Shengjun Sun,Dongdong Zheng,Qian Liu,Xuping Sun,Bo Tang
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-47121-x
摘要

Abstract Seawater electroreduction is attractive for future H 2 production and intermittent energy storage, which has been hindered by aggressive Mg 2+ /Ca 2+ precipitation at cathodes and consequent poor stability. Here we present a vital microscopic bubble/precipitate traffic system (MBPTS) by constructing honeycomb-type 3D cathodes for robust anti-precipitation seawater reduction (SR), which massively/uniformly release small-sized H 2 bubbles to almost every corner of the cathode to repel Mg 2+ /Ca 2+ precipitates without a break. Noticeably, the optimal cathode with built-in MBPTS not only enables state-of-the-art alkaline SR performance (1000-h stable operation at –1 A cm −2 ) but also is highly specialized in catalytically splitting natural seawater into H 2 with the greatest anti-precipitation ability. Low precipitation amounts after prolonged tests under large current densities reflect genuine efficacy by our MBPTS. Additionally, a flow-type electrolyzer based on our optimal cathode stably functions at industrially-relevant 500 mA cm −2 for 150 h in natural seawater while unwaveringly sustaining near-100% H 2 Faradic efficiency. Note that the estimated price (~1.8 US$/kg H2 ) is even cheaper than the US Department of Energy’s goal price (2 US$/kg H2 ).
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