海水电解（SWE）目前被广泛认为是一种非常有潜景的制氢方式，不仅因为海水资源非常丰富且廉价，而且海水电解能够方便地与海上可再生太阳能及风能结合来进行绿氢的制取。然而，由于海水电解过程中阳极竞争性析氯反应（CER）的干扰以及电解过程较高的能耗，海水电解长期以来在大规模的应用方面一直面临巨大的技术挑战。为了寻找应对方案，能源转换与存储材料团队近几年一直在探索混合电解海水（hybrid seawater electrolysis）制氢的路径（Adv. Mater. 2023, 36, 2308647）。混合电解海水制氢利用在热动力学上更有利的小分子阳极氧化反应来取代高能耗的析氧反应（OER），从根本上改变了电解槽阳极发生的电化学反应，大大降低了制氢的能耗，同时可以完全避免海水电解过程中析氯副反应的干扰。
在前期一些工作的基础上 （J. Mater. Chem. A 2020, 8, 24743; Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2206138; J. Mater. Chem. A 2023, 11, 26152），团队研究人员近期与意大利拉奎拉大学A. Politano教授课题组（负责晶体生长）及南京林业大学D. W. Boukhvalov教授课题组（负责理论计算）合作，采用液相剥离法制备了二维层状PtTe纳米片（e-PtTe NSs）催化剂。详细的电化学表征显示，e-PtTe NSs催化剂对于析氢反应（HER），水合肼氧化反应（HzOR）和氧还原反应（ORR）均具有较为优异的催化活性和稳定性，因此可以用作多功能电催化剂。基于e-PtTe NSs多功能催化剂，团队研究人员构建了两种混合海水电解制氢装置：一是采用双极膜并结合水合肼氧化辅助的酸碱双电解液电解海水制氢系统（BPM-OHzSWE，见图1），其在300 mA/cm2的电流密度下运行仅需0.55 V的槽压，能耗仅约为1.3 KWh/m3左右。有趣的是，在低于100 mA/cm2的较小电流密度下电解海水时，该装置不仅不需要外部电力驱动，而且可以在实现产氢的同时进行发电。这样的设计非常符合海水电解槽对外部动态响应灵活性的要求，可以更好地适应可再生能源电解制氢的波动性。第二种混合电解海水制氢装置由直接肼燃料电池（DHzFC）和水合肼辅助的混合海水电解池构成（OHzSWE，见图1）。直接肼燃料电池以e-PtTe NSs作为氧还原和肼氧化的催化剂，其开路电压可达0.94 V，使其能够驱动水合肼辅助的海水电解制氢。DHzFC和OHzSWE的联用可以实现海水电解制氢的自驱动运行。本工作提出的两种混合海水电解装置在节能且经济高效地制氢方面展现出了巨大的应用前景。
图1. 多功能二维PtTe纳米片催化剂的制备（上）及两种自驱动海水电解制氢装置（下）的示意图。
本工作以“Self-Powered Hydrogen Production From Seawater Enabled by Trifunctional Exfoliated PtTe Nanosheet Catalysts”为题于2024年4月15号发表在领域内知名期刊《Advanced Functional Materials》上，能源转换与存储材料团队客座研究员余志鹏博士为文章的第一作者，团队刘利峰研究员、拉奎拉大学Politano教授和南京林业大学Boukhvalov教授为文章的共同通讯作者，松山湖材料实验室为文章的第一单位。
该文章的网络链接为：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202403099
