EES：不惧风浪，基于凝胶电解质的直接电解海水稳定产氢新路径

作者信息

2025年6月3日，四川大学/深圳大学Tao Liu和Heping Xie团队合作在Environmental Science: Energy & Environment期刊发表题为“A gel electrolyte-based direct seawater electrolysis”的研究论文，该工作提出了一种基于凝胶电解质的直接电解海水方法，用于在复杂环境（如远洋波浪平台）中稳定制氢。Wenbin Tang为文章第一作者。

逻辑链条

背景（远海制氢）现有策略（相变隔离离子）现有系统痛点（液态电解质在波动环境下的问题）提出解决方案（柔性凝胶电解质）介绍凝胶的特性和作用阐述水迁移机制展示核心成果（长期稳定性、高效率、可放大性、多场景应用）总结意义。

详细点评

这篇文献，可以说是在咱们之前介绍过的、非常有前景的利用“水相变迁移”机制直接电解海水产氢技术（可以参考Nature那篇）基础上，进行了一次关键的技术升级和场景拓展。之前的技术通过引入防水透气界面，利用海水和电解液之间的蒸汽压差，巧妙地实现了离子隔离，只让纯水蒸汽通过，解决了海水中的杂质离子污染催化剂的问题。这套机制本身已经很棒了。

但是！如果这套系统要部署到真正的、波涛汹涌的远洋浮动平台上，用传统的液体电解液就可能遇到新问题：比如液体晃动带来的压力波动、电解液泄漏风险、以及氢气和氧气容易互穿等等。这就好比你造了一辆好车，能在平地上跑得飞快，但现在要让它去爬崎岖的山路，原来的减震系统就不够用了。

这篇EES文章的精彩之处，就在于它敏锐地抓住了这个痛点，并且找到了一个非常有潜力的解决方案——用凝胶电解质来代替传统的液体电解液。凝胶嘛，非流动性，自然就能很好地解决液体晃动带来的压力波动和泄漏问题。但要实现这个替换，可不是简单地把液体变成凝胶就完事了。新的凝胶电解质需要同时满足好几个严苛的要求：

水捕获能力：要能有效地从海水蒸汽中吸收纯水。

离子导电性：这是电解反应的“生命线”，导电性差能量损耗就大。

机械性能：要足够灵活、有韧性，能承受海浪环境下的物理应力，而且还得有自阻尼能力。

气体阻隔性：能有效防止氢氧互穿。

易于规模化：未来要大规模应用，制备必须简便且可放大。

作者通过一种简单的“冷冻-离子调控”方法制备了这种凝胶电解质。更重要的是，他们没有停留在“凝胶好用”的表面，而是深入研究了水在凝胶内部的迁移机制。通过模拟，他们发现水分子在凝胶中迁移主要是由浓度梯度驱动的，而且主要通过与OH-离子结合和解离来实现输运。这种对微观机制的理解，是保证凝胶能持续提供纯水来源进行电解的关键。

实际测试结果非常亮眼：使用未经处理的真实海水，在250 mA cm-2的电流密度下，系统稳定运行超过400小时！法拉第效率高达99%。而且，这种凝胶电解质非常易于放大（做出了45 x 35 cm²的大尺寸）。他们甚至把一个规模化的（1045 mL H2 h-1）凝胶电解海水制氢系统搬到了真实波动的河流中，用太阳能驱动稳定运行了20小时，验证了其在波动环境下的可行性。文章还进一步拓展了凝胶的应用场景，证明了它可以在较低温度（7.1°C）下工作，甚至可以直接从高湿度的气体环境中捕获水蒸气来制氢，并稳定运行了220小时。

总的来说，这篇工作是一个很好的范例，展示了如何在已有先进技术的基础上，针对特定应用场景（远洋浮动平台）的实际痛点，通过引入创新材料（多功能凝胶电解质）来解决关键问题。同时，通过对核心机制（水在凝胶内的迁移）的深入探索，为材料的设计优化提供了理论指导。这种从应用需求出发，结合材料创新和机理研究的思路，正是推动技术从实验室走向实际应用的关键。它提供了一种安全、轻便、紧凑的海水电解系统新方案，离大规模开发深远海绿色氢能又近了一步。好的，根据提供的PDF文件内容，以下是按照您要求的风格进行的解析：

题目“A gel electrolyte-based direct seawater electrolysis”拆解一下关键词： ØGel electrolyte: 核心材料创新，指一种凝胶状的电解质，而非传统液体。这是本文提出的关键技术基础。 ØDirect seawater electrolysis: 应用目标，直接利用海水（未经预处理或淡化）进行电解制氢。这是希望解决的核心问题。 ØBased: 表明凝胶电解质是该系统的基础或核心组成部分。

连起来看，这篇文章的核心内容是关于基于凝胶电解质的直接海水电解技术研究，旨在开发一种适用于直接利用海水制备氢气的新型电解质体系。

摘要

摘要是文章的“精华浓缩版”，咱们按照“背景-问题-方案-亮点-意义”的框架来解析：

研究背景：在远海浮动平台上利用可再生能源进行海水原位电解，是绿色制氢的一个非常有前景的途径。通过引入防水透气界面并利用蒸汽压差，可以隔离海水中的杂质离子，获得纯净水用于制氢。

存在的挑战/问题：然而，传统的液体电解质体系在波涛汹涌的海洋环境中存在缺点，如泄漏和压力波动等问题，不利于系统的稳定运行。

提出的方案：本文提出并制备了一种柔性凝胶电解质，该凝胶电解质具有良好的离子导电性和水捕获性能，并将其应用于直接海水电解系统。

研究亮点与数据支撑： 亮点一（凝胶特性）：制备了一种柔性、具有良好离子导电性和水捕获性能的凝胶电解质。 亮点二（机理揭示）：通过模拟揭示了凝胶中水迁移过程，发现水分子迁移主要由浓度梯度驱动，并依赖于水分子与OH-离子之间氢键的结合与解离。 亮点三（长期稳定性）：使用未经处理的真实海水，在250 mA cm⁻²电流密度下，系统稳定运行超过400小时。 亮点四（实际应用潜力）：构建了一个规模化的（1045 mL H₂ h⁻¹）凝胶电解质制氢系统，并在流动的、有波动的河流中，以太阳光为能源稳定运行了20小时。 亮点五（易于放大）：该凝胶电解质非常易于放大制备（尺寸达45 × 35 cm²）。 亮点六（多样化适用性）：研究并证实了该凝胶电解质在更高电流密度（1 A cm⁻²）、更低温度（7.1 ℃）以及直接从潮湿气体环境（N₂@99 RH, 25 ℃, 稳定运行220 h）制氢的应用潜力。

研究意义：这些结果为在波动的海洋条件下实现可扩展的氢气生产提供了一条高效途径，解决了传统液体电解质的局限性。

创新解决之处

本研究的创新解决之处：针对传统液体电解质在海洋环境中易泄漏、受波动影响等问题，本文创新性地开发并应用了一种柔性凝胶电解质，将其整合到基于水相变迁移机制的直接海水电解系统中，以实现更安全、紧凑和稳定的制氢过程。

研究亮点与数据支撑: 这是他们如何实现和证明的证据链。 证据一（材料制备与表征）：通过简单的冷冻和离子调控方法制备了具有三维多孔网络结构的柔性凝胶电解质（如KOH–PVA），SEM图像显示其具有丰富的微孔，能够适应拉伸、弯曲等变形（图1c, 1e）。FTIR和XRD分析揭示了KOH与PVA之间的相互作用以及KOH的引入对PVA结构的影响，这与离子迁移能力相关（图1g, S7）。 证据二（水迁移机理与能力）：分子动力学模拟和拉曼光谱证实水分子在凝胶中主要与KOH结合并通过结合-解离过程迁移（图2c, 2d），展示了凝胶高效捕获和传输水分子的能力，且水迁移速率与KOH浓度相关（图2b）。 证据三（电化学性能与稳定性）：凝胶电解质表现出优异的离子导电性（图2f）和较低的电解过电位（图2g）。在真实海水中，系统在250 mA cm⁻²下稳定运行超过400小时，法拉第效率高达99%（图3b, 3c），且在较高电流密度下也保持稳定（图3d, S27）。 证据四（离子阻隔性能）：测试表明，凝胶电解质能有效阻隔海水中的杂质离子（如Cl⁻），在电解过程中凝胶电解质中的次氯酸根离子浓度无显著增加，离子阻隔率高于99.99%（图S24），保证了催化剂的稳定。GC测试也显示凝胶能有效阻止H₂和O₂的交叉渗透（图S20）。 证据五（工程化潜力与多样化应用）：展示了凝胶电解质易于大尺寸制备（图3e），并成功构建了与太阳能联用的规模化制氢系统，在自然河流环境中稳定运行（图4a, 4b）。此外，验证了该凝胶在低温（图4c）以及直接利用湿气进行制氢（图4d, 4e）的可行性，扩展了其应用范围。

研究意义：这项工作成功开发了一种新型凝胶电解质，克服了传统液体电解质在复杂海洋环境下应用的一些固有缺陷。通过详细研究其结构、水迁移和电化学性能，并展示了其在长期运行、规模放大、可再生能源耦合及多样化环境中的适用性，为未来开发安全、轻量化、紧凑型的远海直接海水电解制氢系统提供了重要的技术基础和新思路。好的，根据您提供的PDF文件内容和要求的输出风格，以下是解析结果：

前言

前言部分，是作者引导读者进入其研究领域的“路径图”： 开篇点题，强调利用可再生能源在远海浮动平台进行直接海水电解是绿色制氢的有吸引力选项。然后指出通过引入防水透气界面和利用界面蒸汽压差，可以隔离海水中的杂质离子，获得纯水用于制氢。接着阐述现有液态电解系统在波涛汹涌的海洋环境下的缺点，如泄漏和压力波动。结论自然导出：需要一种更适合海洋环境的电解质。 话锋一转，点出本文的研究重点——制备并使用了一种具有良好离子电导率和水捕获性能的柔性凝胶电解质进行直接海水电解。这直接点明了研究的核心内容。随后聚焦凝胶电解质的特性，指出其在离子传导、水捕获迁移和气体分离中的作用。作者还特意提到，通过分子动力学模拟揭示了水在凝胶中的迁移过程，主要由浓度梯度驱动，并依赖于水分子与OH⁻之间的氢键形成和解离。 作者终于亮出了自己的主要成果！通过冷冻和离子调控方法制备的凝胶电解质，在使用未经处理的真实海水时，在250 mA cm⁻²电流密度下稳定运行超过400小时，法拉第效率达99%。接着展示了系统的可放大性（制备了45 × 35 cm²的大尺寸凝胶膜）和普适性（在河流中使用太阳能驱动稳定运行，可在低温7.1°C下工作，甚至能直接从潮湿气体中制氢）。最后，作者清晰地阐述了这项工作的意义：提供了一种在波动海洋环境下实现可扩展制氢的有效途径，并为开发轻便、紧凑、安全的远海海水电解系统奠定了基础。

证据视觉链

详细总结文献中所有图的主要内容： 一共4个图

图1：概念、制备与初步表征：展示了凝胶电解质在海水电解系统中的作用概念、独特的制备方法（冷冻-离子调控）、微观结构（多孔）、宏观性能（柔韧性）以及不同凝胶的电化学特性和组分分析，证明了凝胶的成功构建和KOH与PVA的相互作用。

图2：水迁移机制与电化学性能：通过模拟和实验揭示了水分子在凝胶中的捕获和迁移机制（KOH相互作用为主导），量化了吸水能力，并详细考察了凝胶电解质的离子电导率、电化学性能（LSV）以及机械强度，优化了凝胶配方（40 KOH-PVA综合性能最佳）。

图3：稳定性与放大潜力：展示了凝胶电解质在实际海水电解中的长期运行稳定性（超400小时）、法拉第效率、气体阻隔能力、在高电流密度下的表现以及制备大尺寸凝胶膜的可行性，突显了其实际应用潜力。

图4：多场景应用探索：演示了凝胶电解质系统与可再生能源（太阳能）耦合在自然河流环境中的稳定运行，验证了其在低温（7.1°C）下的电解性能，并拓展了其应用范围至直接从潮湿气体中制氢，体现了系统的普适性。

最后点评

这篇论文提出了一种创新性的柔性凝胶电解质，巧妙地将其应用于基于水相变迁移的直接海水电解系统，成功解决了传统液态电解质在复杂海洋环境下的痛点。凝胶电解质集水捕获、离子传导和气体阻隔功能于一体，且制备方法简单、易于放大。研究不仅展示了优异的长期稳定性、高效率和多场景适用性（低温、潮湿气体、可再生能源耦合），还通过模拟和表征深入探讨了水在凝胶内部的迁移机制，具有重要的理论和实际意义。然而，未来的研究可以进一步关注凝胶材料在长期实际海洋环境（如生物附着、盐雾、结构疲劳）下的耐久性和稳定性；大规模应用中的能耗优化和成本控制；以及如何进一步提升水迁移速率和离子电导率以满足更高的电流密度需求。

文献引用： [1]文章详细信息：Wenbin Tang, Zhiyu Zhao,* Dongsheng Yang, YanHao Liu, Liangyu Zhu, Yue Wu, Cheng Lan, Wenchuan Jiang, Yifan Wu, Tao Liu * and Heping Xie*, A gel electrolyte-based direct seawater electrolysis†. Environ. Sci.: Energy Fuels, 2025, DOI: 10.1039/d5ee00453e.