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A sodium-ion-conducted asymmetric electrolyzer to lower the operation voltage for direct seawater electrolysis

电解 海水 电解质 高压电解 材料科学 聚合物电解质膜电解 电解水 离解(化学) 化学工程 无机化学 化学 电极 物理化学 海洋学 有机化学 工程类 地质学
作者
Hao Shi,Tanyuan Wang,Jianyun Liu,Weiwei Chen,Shenzhou Li,Jiashun Liang,Shuxia Liu,Xuan Liu,Zhao Cai,Chao Wang,Dong Su,Yunhui Huang,Lior Elbaz,Qing Li
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1): 3934-3934 被引量:170
标识
DOI:10.1038/s41467-023-39681-1
摘要

Hydrogen produced from neutral seawater electrolysis faces many challenges including high energy consumption, the corrosion/side reactions caused by Cl-, and the blockage of active sites by Ca2+/Mg2+ precipitates. Herein, we design a pH-asymmetric electrolyzer with a Na+ exchange membrane for direct seawater electrolysis, which can simultaneously prevent Cl- corrosion and Ca2+/Mg2+ precipitation and harvest the chemical potentials between the different electrolytes to reduce the required voltage. In-situ Raman spectroscopy and density functional theory calculations reveal that water dissociation can be promoted with a catalyst based on atomically dispersed Pt anchored to Ni-Fe-P nanowires with a reduced energy barrier (by 0.26 eV), thus accelerating the hydrogen evolution kinetics in seawater. Consequently, the asymmetric electrolyzer exhibits current densities of 10 mA cm-2 and 100 mA cm-2 at voltages of 1.31 V and 1.46 V, respectively. It can also reach 400 mA cm-2 at a low voltage of 1.66 V at 80 °C, corresponding to the electricity cost of US$1.36 per kg of H2 ($0.031/kW h for the electricity bill), lower than the United States Department of Energy 2025 target (US$1.4 per kg of H2).
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