一、参赛作品概述

展品名称：亲水超疏气多功能电极

材料类别：纳米材料

创作者名称：孙富

所属学校：大连理工大学

参赛论文：Energy-saving hydrogen production by chlorine-free hybrid seawater splitting coupling hydrazine degradation

二、展品简介

1、展品简介/创新点： 构筑纳米阵列电催化剂，实现亲水超疏气催化界面，应用于低能耗海水电解制氢

2、性质：电极为3D自支撑材料，基底为泡沫铜，表面包覆亲水Ti3C2修饰层后，负载镍钴合金碳纳米片阵列，构造亲水-超疏气催化界面，可以高效催化双功能析氢和水合肼氧化反应，实现低能耗、无阳极氯腐蚀的混合海水电解制氢新技术。

3、展品应用领域：“蓝色”海水电解制氢技术

4、展品参数：

 

中文名	亲水超疏气多功能电极	英文名	Superaerophobic-hydrophilic multifunctional electrode
简称	NiCo@C/MXene/CF(NiCo：镍钴合金；MXene：二维过渡金属碳化物；CF：泡沫铜)

 

三、科研笔记

科研故事

发展氢能经济是我国向可再生零碳能源结构转型，实现“碳达峰、碳中和”目标的必由之路。可再生能源电解水制氢是最具前景的低碳高纯制氢技术方向之一，但水裂解反应高达1.23 V的理论电压使其能耗居高不下。基于对催化剂与电解工艺技术的优化可以在一定程度上提升制氢效率，但难以突破性降低制氢能耗与成本。

纵观全球，海水占地球水资源的97%以上，蕴含的氢能热值是地球化石燃料总量的9000倍，且海域风力、太阳能等资源丰沛，在实现规模化可再生能源电解水制氢方面具有得天独厚的优势，发展高效的海水电解制氢技术对我国氢能经济发展、海洋资源开发利用与海洋国防事业意义重大。但海水电解制氢除高能耗外，更面临海水复杂化学环境带来的额外巨大挑战如催化剂污染失活、阳极氯氧化副反应与腐蚀等。

在博士初期阶段，我的研究方向还停留在常规全电解水，这一过程需要大量的电能消耗，造成了电解水制氢成本居高不下，难以得到规模化利用，因此实验停滞不前。一个偶然的机会，我和老师聊起神州系列飞船发射的过程，谈到火箭使用的水合肼燃料，进而谈到化工厂残留的水合肼废水处理这个问题，初期没有想到合适的解决方案。回到学习室查阅文献后，认识到电解水合肼废水是一个潜在的水合肼废水处理方案，电催化水合肼分解不仅可以将废水中的水合肼转变为氢气，而且可以高效去除废水里残留的水合肼。定下实验目标之后，我们接下来着眼于催化剂的设计。

作为一个析气反应，亟需构筑超疏气界面，在电催化过程中，产生的气体可以迅速脱离催化剂表面，避免因为气泡的产生而造成的活性位点损失。我们发现阵列纳米催化剂对于气泡有着较小的粘附力，气泡会在阵列纳米材料上快速脱离，结合亲水导电的Ti₃C₂-MXene修饰层，我们构造了亲水-超疏气纳米催化界面，可以高效催化析氢与水合肼氧化反应，应用于我们设计的杂化电解海水装置，可以实现低能耗电解海水制氢。与商业化碱性电解水相比，本技术制氢基础能耗可降低 40-50%；CO₂排放比天然气重整制氢降低90%以上，产物为无污染的高纯氢气与氮气，同时适用于中/碱性海水、工业废水、淡水等不同化学性质的水体。应用于海水时，因槽压远低于氯氧化反应电位（1.72 V），彻底避免了海水中氯物种对电解池性能及阳极稳定性的负面效应。

大连理工大学地处美丽的海滨城市大连，具有丰富的海洋资源。我们设计的催化剂和电解海水装置为发展低能耗、高经济和生态可持续性的低碳制氢技术方法提供了新的思路。