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Cell Engineering Can Mitigate Cathode Scaling during Water Electrolysis in the Presence of Mg 2+

电解 阴极 缩放比例 电解槽 化学 核工程 放射化学 材料科学 工程类 电极 物理化学 数学 几何学 电解质
作者
Ananta R. Fareza,Hank Garg,Darcy Simondson,Mohamed R. Rizk,Tam D. Nguyen,Hoang‐Long Du,Douglas Robert MacFarlane,Alexandr N. Simonov
出处
期刊: [American Chemical Society]
卷期号:1 (5): 763-773 被引量:20
标识
DOI:10.1021/acselectrochem.4c00189
摘要

High Resolution Image Download MS PowerPoint Slide Direct seawater electrolysis might play an important role in distributed hydrogen production but is constrained by the natural ionic composition of seawater. A specific challenge at the cathode is scaling with low-solubility, electrically-insulating magnesium and calcium hydroxides resulting from a reaction of naturally present Mg 2+ and Ca 2+ with OH – generated by the hydrogen evolution reaction. In theory, this should be resolved by the transport of protons generated by the anodic oxygen evolution reaction, but regular devices do not provide this sufficiently. Herein, we demonstrate that the pH imbalance during the electrolysis of Mg 2+ -containing unbuffered water can be mitigated by a suitable cell design. We present a real-time visualization of the pH gradients evolving during unbuffered water electrolysis (0.6 M Na 2 SO 4 + 0.053 M MgSO 4, pH ≈ 7), and show how these induce Mg(OH) 2 precipitation depending on forced convection and distance between the anode and cathode. Minimizing the latter significantly suppresses the Mg(OH) 2 scaling when the contact of the cathode with the electrolyte solution is restricted to one side facing the anode and a H 2 gas escape pathway through a water-impermeable membrane is provided on the other side. This cell design enables stable water electrolysis at 0.1 A cm –2 on a day-long time scale at both ambient (23 ± 2 °C) and industrially relevant temperatures (80 ± 1 °C). Beyond seawater electrolysis, this simple strategy might be also applicable to magnesium–seawater batteries.
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