氧化还原介质实现无膜直接海水电解制氢新策略【科学指南针·计算支持·2025】

东华大学杨建平教授团队在《Angewandte Chemie International Edition》发表创新研究成果，开发基于TQBQ-COF氧化还原介质的无膜直接海水电解体系，实现高效低成本制氢。科学指南针为本研究提供理论计算支持，助力反应机理解析与材料设计优化。

研究背景与海水电解挑战

绿色氢能作为实现碳中和目标的关键路径，其规模化制备面临淡水资源稀缺和成本高昂的双重挑战。海水电解技术有望解决这一瓶颈，但传统方法存在诸多技术限制。

​核心技术瓶颈：​​

• 传统电解依赖昂贵质子交换膜，成本高昂

• 海水杂质导致膜污染和性能衰减

• 阳极副反应竞争降低电流效率

• 气体分离困难，存在安全隐患

• 预处理过程增加能耗和复杂性

图1. 传统海水电解与分步海水电解的对比示意图。(a) 传统海水电解体系；(b) 分步海水电解体系示意。

创新方法：氧化还原介质设计策略

研究团队创新性地设计合成TQBQ-COF共价有机框架作为固态氧化还原介质，实现无膜条件下海水直接电解制氢。

​技术突破要点：​​

• TQBQ-COF的C=O/C=N官能团实现可逆质子存储

• 氧化还原电位位于CER和HER之间，实现能量高效传递

• 无膜设计避免污染问题，简化系统结构

• 直接使用海水，免除预处理步骤

图2. TQBQ-COF的合成、表征及环境耐受性测试。

材料设计与性能表征

通过精确调控合成条件，成功制备具有优异性能的TQBQ-COF材料，系统表征证实其结构稳定性和电化学性能。

​材料特性验证：​​

• HRTEM显示0.32 nm晶格条纹，结晶性良好

• PXRD与AA堆叠模型吻合，结构明确

• FT-IR证实C=O/C=N官能团成功构建

• BET显示高比表面积，利于反应进行

• 酸性环境中结构稳定，耐海水腐蚀

图3. TQBQ-COF在酸性模拟海水与真实海水中的反应动力学与电化学性能。

理论计算与机制解析

科学指南针支持的理论计算深入揭示TQBQ-COF的电子结构和反应机制，为性能优化提供理论指导。

​计算研究发现：​​

• 静电势分布确定C=O和C=N为活性位点

• HOMO-LUMO能隙3.16 eV，促进电子传输

• 吉布斯自由能计算证实多步质子化可行性

• 前线轨道分析揭示电子转移路径

• 结合能计算验证活性位点有效性

图4. TQBQ-COF的密度泛函理论（DFT）计算结果。

电化学性能评估

TQBQ-COF在模拟海水和真实海水环境中均展现出优异的电化学性能和稳定性。

​性能卓越表现：​​

• 酸性模拟海水中容量保持率优异

• 10 A g⁻¹电流密度下循环稳定性良好

• 电容贡献主导，反应动力学快速

• 真实海水中性能衰减可忽略

• 抗离子干扰能力强，适用性强

图5. 采用TQBQ-COF电极实现分步海水电解。

系统集成与成本分析

基于TQBQ-COF的无膜海水电解系统展现出显著的经济和技术优势，具备产业化应用潜力。

​系统优势突出：​​

• 制氢成本降至2.5美元/kg，竞争力显著

• 电解电压仅1.47 V，能效提升明显

• 可与太阳能等可再生能源直接耦合

• 产氢产氯协同，提升经济性

• 系统结构简化，维护成本降低

图6. 可再生能源驱动的直接海水电解制氢与制氯概念图。与传统海水电解相比，该方法无需反渗透（RO）淡化系统，可直接利用海水，并通过与可再生能源相结合，实现灵活高效的氢气（H2）与氯气（Cl2）协同生产。

实际应用验证

通过DEMS等原位表征技术验证系统在实际运行中的稳定性和气体产物纯度。

​应用性能验证：​​

• 连续50次循环性能稳定

• 氢气纯度达到应用标准

• 氯气有效分离收集

• 系统响应快速，适应波动电源

• 长期运行稳定性优异

总结与展望

TQBQ-COF氧化还原介质为无膜海水电解提供创新解决方案，推动绿色制氢技术发展。

​创新价值总结：​​

• 无膜设计解决污染和成本问题

• 氧化还原介质实现能量高效传递

• 直接海水电解免预处理步骤

• 科学指南针计算支持机理解析

​应用前景：​​

• 沿海地区大规模制氢

• 可再生能源储能系统

• 氯碱工业升级改造

• 分布式能源系统

论文信息：Angewandte Chemie International Edition, 2025

DOI：10.1002/anie.2025xxxxx

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