一、研究背景：海水直接电解的"氯腐蚀"困局
直接海水电解制氢被视为深远海风电消纳与分布式绿氢制备的重要技术路线。相比建设大规模反渗透纯化设施后电解纯水，海水电解可省去海水淡化的额外成本、能耗和基础设施投入，特别适合海上风电、岛屿、沿海工业园区等分布式场景。
然而，海水中约0.5 M的氯离子（Cl⁻）会诱导析氯竞争副反应（Cl⁻ → Cl₂）并不可逆破坏阳极催化剂的活性金属位点，导致严重的催化剂降解。目前商用碱性纯水电解槽电极（如Raney Ni）在海水中仅能在0.2 A/cm²以下运行，以避免Cl⁻侵蚀，远无法满足工业级（千瓦级、安培级电流密度）的绿氢生产需求。
针对这一痛点，华南理工大学李映伟教授、陈立宇教授团队独辟蹊径，提出"以毒攻毒"的新思路——让微量Cl⁻反向促进过渡金属催化剂向有益结构演变，从而在海水场景下同时实现高活性与高稳定性。
二、核心突破：从"被动防护"到"主动利用"的设计反转
传统抗Cl⁻策略多依赖表面涂层等被动防护，催化剂在海水中的活性与耐久性普遍不如纯水。已有研究曾发现Cl⁻可提升部分催化剂的海水性能，但该促进作用仅在0.2 A/cm²以下有效，无法在工业级电流密度下保持。
华南理工团队的创新之处在于反转设计逻辑：不再把Cl⁻当作必须排斥的"敌人"，而是作为引导催化剂结构演化的"促进剂"。他们设计了NiS₂纳米颗粒负载于NiFe-MOF纳米片（记作NiFe-MOF-S）的复合结构，借助SO₄²⁻的空间位阻效应"屏蔽"大部分Cl⁻，仅允许微量Cl⁻靠近活性位点并触发有益重构。
NiFe-MOF-S的"双金属位点+阴离子筛分"机制
- 🔬 SO₄²⁻静电排斥：原位生成的SO₄²⁻在催化剂表面形成负电层，排斥大部分Cl⁻靠近活性位点，避免竞争副反应
- 🧪 微量Cl⁻促进重构：残留的微量Cl⁻选择性诱导催化剂向致密γ-NiFeOOH相重构，Ni–Fe键长显著缩短
- 📊 机理路径切换：重构后OER机制从LOM（晶格氧介导）切换到OPM（氧化物路径），OPM在S-NiFeOOH上的速率决定步骤能垒仅1.72 eV，远低于L-NiFeOOH的LOM路径1.9 eV
- ⚙️ 电子结构优化：S-NiFeOOH在费米能级附近态密度显著高于L-NiFeOOH，电子转移更便利
三、关键数据：海水中活性"反超"纯水
NiFe-MOF-S在碱性海水（1 M KOH+海水）中展现出反常的活性优势——同一催化剂在海水中反而比在纯水中更高效。这一现象打破了"海水=恶劣工况"的传统认知。
| 性能指标 | 碱性纯水（1 M KOH） | 碱性海水（1 M KOH+海水） | 对比结论 |
|---|---|---|---|
| 过电位 @ 500 mA/cm² | 268 mV | 213 mV（降低55 mV） | 海水中反而更低 |
| 稳定运行 @ 1.0 A/cm² | — | >7000 小时 | 衰减率 1.4 μV/h |
| OER机制 | LOM | OPM | 重构触发机制切换 |
| 重构后活性相 | L-NiFeOOH | S-NiFeOOH（致密） | Ni–Fe键长更短 |
| 原位重构产物 | 疏松NiFe LDH | 致密γ-NiFeOOH | 耐Cl⁻腐蚀 |
其中，1.4 μV/h的衰减率低于美国DOE 2026年提出的2.3 μV/h目标，是当前海水电解领域报道的最优稳定性数据之一。7000小时的连续运行相当于工业电解槽在不间断工作条件下可运行近一年。
四、千瓦级工业验证：从实验室到产业化
在小规模研究的基础上，研究团队进一步搭建了1.0 kW碱性海水电解器（ASWE）进行工业级验证。该电解堆包含13个单元，每个单元阳极面积78.5 cm²，整个堆叠有效阳极总面积1020.5 cm²。
千瓦级电解器关键参数
- ⚙️ 电解堆功率：1.0 kW（含13个单元）
- 🌊 阳极总面积：1020.5 cm²（13 × 78.5 cm²）
- 📊 电解液体系：30 wt% KOH + 海水
- 🔬 运行温度：80°C
- ⚡ 关键电压（无iR补偿）：0.5 A/cm²下仅需1.84 V（海水），比商用Raney Ni的2.05 V低0.21 V
- ✅ 工业稳定性：0.5 A/cm²下连续运行超1500小时（接近工业级耐久要求）
在30 wt% KOH+海水体系中，基于NiFe-MOF-S/NF的ASWE在0.5 A/cm²下的电解电压仅1.84 V，而同样电流密度下商用Raney Ni基ASWE需2.05 V——意味着相同产氢量下能耗降低约10%，对绿氢制备成本下降具有直接商业意义。
五、对测试装备的启示：从纯水到海水的验证场景延伸
这一研究不仅在材料层面取得突破，也对氢能测试装备行业提出了新的验证需求——传统的AEM/PEM测试台多数针对纯水电解设计，而海水场景对测试装备提出了全新挑战。
- 🧪 AEM电解水测试台：需具备高浓度Cl⁻电解液兼容能力，包括耐腐蚀流道、抗Cl⁻腐蚀密封、抗Cl⁻离子渗透的电极接口
- 🔬 膜电极测试夹具：需要适应高盐环境下的膜电极长期封装，避免Cl⁻渗漏导致夹具金属部件腐蚀失效
- 📊 电解槽测试设备：面向海水工况的AEM电解槽测试系统与PEM电解水测试台均需重新建立测试边界条件，包括电解液组成、温度梯度、压力区间等
- ⚙️ 催化剂浆料制备：NiS₂/NiFe-MOF-S这类MOF基复合催化剂对浆料分散均匀性要求更高，超声分散机与搅拌研磨机的工艺参数需要针对性调整
- 📊 MEA膜电极制备产线：面向海水的阴离子交换膜电极在浆料配方、超声喷涂机涂层厚度、平板热压机热压工艺、精密裁切机几何精度等环节均需重新验证
- 🧪 氢能测试设备：从材料表征到器件评价的全链路绿氢制备测试装备需具备Cl⁻兼容性与长时数据采集能力
“理解并解决工业级（千瓦级、安培级电流密度）Cl⁻腐蚀和失活问题对商业化至关重要，但相关研究仍十分有限。”——论文作者在研究背景中的总结
随着海上风电、深远海风电的快速发展，直接海水电解制氢正在从实验室走向工业化示范。本研究展示的"Cl⁻促进重构"思路为突破海水腐蚀难题提供了全新范式，也对相关测试装备的耐盐性、长期稳定性与多场景适配能力提出了更高要求。
六、总结与展望
华南理工大学李映伟、陈立宇团队的这篇Nature Communications论文，从"Cl⁻究竟是敌是友"这一基础问题出发，开创性地揭示了微量Cl⁻促进过渡金属催化剂有益重构的现象，并通过NiFe-MOF-S复合结构实现了海水中活性反超纯水的"反常"结果。
- ✅ 活性突破：碱性海水中213 mV过电位达500 mA/cm²，比碱性纯水低55 mV
- ✅ 稳定性突破：1.0 A/cm²下稳定运行超7000小时，衰减率1.4 μV/h（低于DOE 2026目标）
- ✅ 机制突破：首次明确OER机制从LOM向OPM切换的Cl⁻诱导路径
- ✅ 工业突破：千瓦级碱性海水电解器稳定运行超1500小时，能耗较商用Raney Ni降低约10%
这一系列突破，为深远海风电消纳、海岛分布式绿氢生产等场景提供了可工业化落地的海水直接电解制氢技术路径，也为合肥博格达氢能等氢能测试装备厂商在AEM电解水测试台、膜电极测试夹具、电解槽测试设备等方向的"耐海水"升级指明了方向。
（本文基于公开科研进展整理。）
