综述：海水电解法生产可持续氢能源：集成材料、系统工程及技术经济分析

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Seawater electrolysis for sustainable hydrogen: Integrated materials, system engineering, and techno-economic perspectives

　　纳达布·拉扎
巴基斯坦拉合尔工程与技术大学化学系，54890

**摘要**
海水电解（SWE）提供了一种不依赖于淡水生产氢气的可持续途径。然而，SWE系统仍面临与氯气释放、矿物结垢和生物污染相关的挑战。本综述整合了材料科学、系统工程和技术经济方面的知识，以推动SWE技术的发展。机理研究表明，在咸水条件下，化学和电化学反应的耦合过程限制了系统的长期稳定性。NiFe层状双氢氧化物和调整了阴离子结构的钙钛矿提高了选择性、抗腐蚀性和稳定性，实现了不超过320 mV的过电位，并且系统稳定性超过了1000小时。系统层面的策略可以控制和解决结垢和污染问题。采用人工智能辅助的操作框架的方法实现了SWE系统的预测性维护和实时优化。已发表的技经评估（TEA）和生命周期评估（LCA）研究表明，在有利条件下（例如低成本电力、高利用率、长堆栈寿命），海水制氢的成本可以达到具有竞争力的水平；不过实际结果很大程度上取决于系统边界和运行条件。本综述通过将氯气释放、结垢和生物污染的缓解措施纳入一个统一的框架，填补了相关知识空白，将该框架与SWE系统的材料性能、设计和经济效益联系起来。一个基于人工智能的适应性污染控制模型在咸水环境中能够保持超过95%的氧气析出反应（OER）选择性，并实现1000小时的可靠运行。最后，本文提出了一条概念性的路线图，明确了技术成熟度等级（TRL）3-9的进阶目标，旨在实现符合联合国可持续发展目标（UN SDGs）7和13的可持续海水制氢。

**引言**
向无碳能源经济的关键转变使绿色氢成为全球可持续能源未来的核心组成部分。国际能源署2023年的《全球氢能展望》指出，从2030年到2050年，对氢的需求预计将快速增长，海水电解将在提供可持续且可扩展的氢供应方面发挥重要作用[1,2]（见表6、图1、图2、图3、图4、图8a、图8b、图8ca-c）。作为一种零排放燃料，氢将在电力生产、交通运输和其他工业应用中的脱碳过程中发挥关键作用[3]。催化科学对于这些发展至关重要[4]。然而，大规模的淡水电解会与有限的淡水资源产生竞争，尤其是在干旱地区和沿海城市[5,6]。相比之下，海水电解利用现有的沿海可再生能源，同时减少了对淡水的依赖[7]。Aminaho等人（2025年）评估了碱性水电解器（AWE）、质子交换膜（PEM）、固体氧化物（SOEC）和阴离子交换膜（AEM）电解技术，发现成本和效率的一致性对于大规模生产绿色氢气至关重要[8]。他们的研究还强调了海水原料如何提高长期供应的可持续性和韧性，特别是在整合到沿海可再生能源系统时。Serafini（2025年）在欧盟背景下独立评估了通过直接海水电解生产氢的方法，并强调了将实验室规模的研究与欧盟层面的可持续性和氢能政策相协调的必要性。Rezaei（2025年）[9]也提出了氢生产系统的可重复技术经济和生命周期评估方法。这些框架为评估标准化提供了证据，但成本结构的详细讨论在技术经济展望部分单独阐述。

在本综述中，我们所说的“系统层面”指的是从海水到氢气的整个过程，而不仅仅是催化剂的性能。为了便于参考，我们根据已发表的数据编制了TEA结果，并将其呈现为氢气的平准化成本（LCOH）。除非另有说明，我们的系统边界包括但不仅限于：（i）海水的输入和泵送；（ii）确保稳定运行所需的预处理/过滤步骤；（iii）电解器堆栈以及相关的电气系统组件（如泵和软管）；（iv）与使用化学品进行清洁、更换电极以及在无氢生产期间的停机时间相关的所有运营和维护成本。除非原始TEA报告中明确说明，否则氢气的压缩/储存、氢产品的输送/运输到最终用户将被排除在TEA之外。

生命周期评估（LCA）的功能单位为1千克（kg）氢气。在解释基于多种来源汇编的输入数据的LCA结果时，必须准确了解数据所依据的边界（例如，从摇篮到坟墓还是从门户到门户）。比较不同来源的LCA时，指定用于海水电解的电源类型同样重要。影响TEA和LCA结果的两个最关键因素是电价（每千瓦时）和碳强度水平、容量因子、效率（千瓦时/千克氢气）、电解器堆栈的使用寿命以及在进行咸水电解时的清洁/错误校正频率。因此，文献中报告的氢生产成本范围是基于特定情景的，并不能代表生产氢气的总系统成本。

研究人员在理解氯气抑制和催化剂开发方面取得了实质性进展；然而，关于海水电解实际条件下氯气释放、矿物结垢和生物污染之间的综合知识仍有限。这类知识对于推动材料开发、技术设计和环境耐久性的创新至关重要，这些都是实现可扩展绿色氢生产所必需的。近期研究讨论了有前景的材料进展。例如，具有工程化阳离子空位的尖晶石氧化物表现出对氯主导降解的强大抵抗力，在直接海水电解过程中保持了良好的氧气析出反应（OER）活性。经过表面工程处理的钴基尖晶石在工业相关电流密度下表现出显著的长期催化稳定性提升。Zignani等人（2025年）研究了直接海水电解的电池保护策略，强调了施加和控制界面电解质效应的方法，并开发了自我修复表层以缓解Cl?诱导的降解和性能下降[10]。Wu等人（2025年）在《能源与环境科学》杂志上的文章总结了催化剂开发、电极设计和系统集成方面的最新进展[11]。这些进展引入了新的氯抑制方法，并考虑了直接海水电解的技术经济状况[11]。Chang等人（2023年）总结了电池级设计的重大进展，包括解决氯气释放反应（ClER）、重构电极设计和引入新型膜配置，以更好地关联实验室结果、被动测试和试点项目[12]。尽管存在实现海水电解的显著障碍[13]，但这些前瞻性发展仍在持续进行。具体来说，海水中的Cl?离子浓度自然较高，这会促进ClER与所需的氧气析出反应（OER）竞争，从而导致氢 purity降低以及电极的加速腐蚀和结构失效[14,15]。操作中的X射线吸收研究表明，表面氯化物吸附在驱动OER选择性和催化剂对长期盐溶液暴露的耐受性方面起着重要作用。最近，氧卤化物调节策略为选择性抑制ClER和保持OER提供了机会，从而提高了海水电解中的氯耐受性。

Liu等人（2025年）[16]报告称，氧空位（O?）工程可将氯化物从主要的腐蚀性吸附物转变为在缺陷位点选择性结合的共吸附物，从而在碱性海水条件下提高OER活性和耐久性[17]。氧空位的存在导致形成未协调的金属环境（而非协调环境），创建了有利于氯化物离子（Cl）吸附和/或锚定的缺陷状态。利用密度泛函理论（DFT），可以评估氧空位（O?）如何增加Cl–吸附，从而形成非常稳定的缺陷相关复合物（Cl–O?–催化剂）。由于这种复合物的形成，Cl会优先吸附在特定位点，而不是随机吸附在OER活性表面的所有位点上。这种选择性的Cl结合为OER过程带来了两个好处：（i）它减少了Cl介导的腐蚀途径，从而减少了金属的溶解/浸出；（ii）它通过稳定活性氧氢氧化物/尖晶石材料的结构完整性提高了OER性能。因此，“Cl成为OER促进剂”的普遍说法应视为由于缺陷存在和缺陷处空位浓度而产生的特定位点效应。Cl在海水电解过程中的作用并非普遍适用。

Zhao等人（2025年）进一步发展了这一观点，对材料和系统层面的氯抑制机制进行了全面回顾，重点讨论了电解质缓冲、界面重构和流动架构在海水电解时间尺度上的协同作用[18]。Raza在题为“海水电解中抑制氯气释放的挑战与解决方案”的综述中总结了潜在机制，综合了ClER缓解策略[19]。Raza的文章提供了大量关于减少海水电解过程中产生的氯气量的方法信息，确定了在不同氯溶液条件下提高OER选择性的催化剂类型和操作条件。这篇新的综述增加了之前文章未涵盖的额外考虑因素。除了讨论ClER选择性外，我们还将讨论矿物结垢和生物污染作为其他降解过程，并展示了材料层面（催化剂）性能与系统工程控制（预处理、流动模式、涂层、监测）之间的联系，以及SWE系统的技术经济和生命周期方面的内容。这种定位明确了我们如何基于Raza的总结，将这些信息转化为具有商业可行性的SWE系统。

研究探讨了海水电解过程中氯诱导的腐蚀机制及其缓解方法。氯化物离子既与OH-竞争阳极氧化，又能促进某些表面的重构，加速金属溶解，并通过界面处的强协调作用促进钝化。研究表明，使用PF6?这种已知的腐蚀抑制剂可以调节电解质的行为，长期使用时能够减少Cl?吸附并防止氯气释放，同时在高电流下仍能保持高水平的阳极稳定性长达3年。类似地，Co-Fe氧氢氧化物含有与铁（Fe）结合的多金属氧酸盐（PW12），使氧氢氧化物对氯保持稳定且不具腐蚀性，同时仍能作为有效的氧气析出催化剂。除了基于材料的策略外，《胶体与界面科学杂志》还利用材料性能特征预测，NiPOx改性的NiFe层状双氢氧化物（LDH）纳米阵列可以控制界面处的氯化物相互作用并促进高价金属的稳定性，从而增强海水的氧化作用。此外，NiFe LDH通过改变氯化物吸附轮廓和Pd-Cl协调作用来抑制氯气释放反应（ClER），表明这些电催化剂可以在较长时间内保持性能。尽管存在实现海水电解的障碍，但这些研究仍表明，控制电解质的化学性质和电极的协调环境（无论性能如何出色）对于降低腐蚀风险至关重要。

传统电催化剂在实际海水条件下（电流密度>500 mA cm?2）仍会遇到结构降解、活性位点毒化和性能损失[20,21]。这些挑战已被认识到，稳定性与选择性的权衡一直限制了盐电解液中OER催化剂的稳定性。Zhang等人（2024年）回顾了电极和电解器设计的最新进展，提供了电池架构、性能参数和降解趋势的公认分类结构[15]。他们的开放获取基准为测试新催化剂系统提供了定量参考。为应对这些持续挑战，当前的工作重点在于开发在低过电位下保持高OER活性的稳定、耐氯电催化剂。策略包括结合缺陷工程、催化层保护和纳米结构优化，以防止ClER、提高OER选择性，并在真实的海水条件下促进长期运行的稳定性[22]。刘等人（2024年）还提出了一种用于混合阳极氧化系统的概念框架，强调了协同Cell设计结合界面工程如何能够同时提高氧进化反应（OER）的选择性并抑制海水系统中的氯生成[23]。此外，通过调节阴离子的钙钛矿催化剂也展现了出色的OER选择性，突显了在利用稳定结构机制的同时抑制氯生成过程中晶格工程的重要性。最后，哈维等人（2024年）证明了通过表面重构调节过渡金属氧氢氧化物活性位点，可以显著提高OER选择性并抑制寄生性氯的生成——为设计有效的海水制氢方案提供了宝贵的经验[24]（见图5）。这篇关于非贵金属催化剂的研究综述旨在通过应用双层分类系统（催化剂家族）和实现盐水耐久性和选择性的机制来提高清晰度并减少冗余信息。催化剂家族包括过渡金属（氧）氢氧化物和层状双氢氧化物，例如NiFe-层状双氢氧化物或钴铁氧体氧氢氧化物；晶格氧活性氧化物（即钙钛矿和尖晶石）；混合和界面结构以及导电支撑材料，例如层状双氢氧化物-石墨烯、钙钛矿/骨架耦合；以及保护层、涂层和Cell工程，以确保这些材料在实际海水使用中的持久稳定性。所有家族都根据其主要作用机制进行分类：缺陷/阴离子调控（即氧空位的产生）、重构控制、界面耦合或保护屏障的形成。性能数据汇总在表1和图6中（见表2）。

A位点缺陷的Fe替代钙钛矿，如SrCo0·9Fe0·1O3-δ，在10 mA cm?2电流密度下显示出约330 mV的超电位，并且在800小时后仍保持超过90%的电流密度，比传统的LaNiO3尖晶石具有超过2倍的耐久性（见图7）。晶格氧激活行为促进了几乎高40%的OER周转频率，这定量验证了它们相对于基准钙钛矿和尖晶石的效率和选择性的提升[20,28]。重要的是，NiFe层状双氢氧化物（LDHs）已成为海水电解中最有前景的系统之一。定制的NiFe-LDH结构表现出对氯引起的降解增加的抵抗力，并在直接海水操作中保持了耐久性和选择性。早期研究表明，超薄LDH结构的LDH前缀提高了活性位点的可访问性和对氯化物腐蚀的抵抗力。在盐水介质中也实现了选择性的OER活性，最近的研究证实了结合卤素-阴离子调节策略设计的NiFe氧氢氧化物的显著活性。这证明了高OER选择性和耐久性，同时也验证了界面工程途径的前景。

NiFe-LDHs继续成为海水电解中的标准非贵金属OER催化剂，η10值介于280–320 mV之间，Tafel斜率为45–55 mV dec?1，这在相同的盐水条件下比RuO2高出约30 mV。Co或Mo掺杂的NiFe-LDHs甚至显示出更好的稳定性（超过1000小时）和更低的ClER起始电位（比未掺杂的LDH低约0.15 V），从而提高了效率和耐久性[10,23,25]。为了使基准测试结果更加直观，我们在图6a中可视化了数据集，该图将根据10 mA cm?2下的η电位与报告的稳定性（对数刻度）进行映射，并按主导的机制设计策略对研究进行分组。

报告的海水电解性能指标必须在相同明确且统一的条件下进行评估，以便增加跨研究的比较。关键参数包括：（i）电解质的组成（天然海水、模拟海水或含指定KOH浓度的碱性海水），（ii）施加在海水电解器上的电流密度，（iii）稳定性测试的持续时间和协议（即计时电位法和服务电流法），以及（iv）氧气、氢气和氯气的法拉第效率（FE）。在本次综述中，除非另有说明，我们对催化活性的讨论将主要基于10-100 mA/cm2的电流密度（用于比较内在活性）以及大于500 mA/cm2的电流密度（用于与工业应用相关联），稳定性测试持续时间超过100-1000小时的连续运行。

电解质组成需要明确说明，因为使用碱性海水（例如0.5-1.0 M KOH + NaCl或实际海水）会显著改变反应动力学、缩放行为和氯化物竞争情况，与中性盐水溶液不同。尽可能报告法拉第效率，并将其表示为分离OER选择性和寄生性氯生成的总阳极电荷的比例。稳定性指标是基于在固定电流密度下的持续运行进行比较的，此时电位漂移接近零（即<10-20 mV），而不是基于短期循环测试。这些统一的标准在表1中进行了总结，为所有催化剂类别提供了有意义的比较方法，并指出了扩大海水电解规模所需解决的研究差距。

本综述对当前和未来的海水电解制氢状态进行了关键评估。综述内容如下：

1. 生物污染和矿物沉积：我们首先描述了海水电解器中生物污染和矿物沉积的潜在挑战及其对长期性能和能源效率的影响。
2. 材料创新：我们讨论了电催化剂、防污涂层和离子选择性膜的最新发展，确定了可以改进耐久性和选择性的共同机制。
3. 运行中表征和原位表征：我们总结了运行中X射线吸收光谱和原位拉曼光谱的进展，这些进展有助于理解氯的生成机制、沉积和催化剂降解。
4. 人工智能和机器学习：我们回顾了在预测污染和催化剂稳定性方面新兴的人工智能/机器学习框架，为数据驱动的优化提供了机会。
5. 反应器工程和放大：最后，我们探讨了反应器设计和放大挑战，特别是流场几何形状、流体动力学控制以及最终具有工业放大潜力的技术经济性。

本综述旨在结合材料科学、电化学和过程工程的视角，以更好地理解通往耐久、可扩展和环境可持续的海水电解制氢的路径。值得注意的是，刘等人（2024年）实现了一个实用的创新里程碑，他们开发了一个浮动的海上直接海水电解（DSE）试点系统，在真实的海洋波浪作用下产生了1.2 Nm3 H? h?1的产量，并且完全由风能驱动[26]。他们的工作体现了电化学、可再生能源和海洋工程的交叉点，展示了一条现实的海基碳中和氢生产路线。

海水电解器中的生物污染指的是细菌、藻类、微生物和各种生物膜在电极表面和其他浸入海水中的导电组件上不希望的积累和生长。海洋环境天然富含营养物质和各种还原化合物，在不断流动的海水中微生物多样性很高，这被用于氢气（或其他化学品）的生产（Rao，第26章）[26]。生物污染过程通常始于微生物细胞粘附在固体表面，然后发展为定植，分泌细胞外聚合物物质（EPS），最终形成结构化的微生物群落。生物膜形成了一个保护性复合体，改变了表面疏水性，阻碍了电子转移，并降低了电极的催化效率和长期性能稳定性。

最近的综合评估确认，生物污染、矿物沉积和氯的生成共同定义了海水电解系统实际应用的主要障碍。Shetty等人（2025年）提出了一个全面的框架，将界面化学、微生物粘附动力学和沉积机制联系起来，为理解海洋电解器内的耐久性损失和电化学降解提供了统一的理解[25]。Umair等人（2025年）对海水电解进行了工艺工程回顾，重点研究了电解质组成、膜稳定性及反应器优化的影响，以及这些因素如何影响可扩展的绿色氢生产。他们的回顾强调了将催化剂开发和电解工程结合到组件设计中的必要性，这些设计和优化都是基于实际运行条件进行的，包括适用于海洋环境的条件[36]。

海水电解器内部的电化学驱动因素与海洋生物环境显著不同。生物污染和矿物沉积过程传统上与施加的电位和反应物种的固有特性有关。这两种反应和电位都会改变可行的微生物群落组成和生物膜群落组成，经常导致活性位点堵塞和局部腐蚀，从而降低海水电解系统的可靠性和性能。此外，除了被动粘附这一严重问题外，微生物影响的腐蚀（MIC）已成为海水电解系统中一个可行的且重要的降解途径，通过微生物代谢、生物膜衍生的渗出物以及可能的直接电子转移至电极材料[37,38]。为了解决这些问题，已经评估了原位生成氯来灭菌电极表面上的微生物生长的方法，以及通过周期性反转电极极性进行脉冲电解以去除生物膜并再生电极表面的活性位点的策略。虽然氯的生成或脉冲电解可以通过抑制微生物生长暂时维持电极表面的灭菌，但这些方法的长期有效性尚不确定。例如，长期的氯暴露可能会加速电极腐蚀或损害实现OER选择性的能力[39,40]。

生物污染和矿物沉积不会独立发生；两者都基于离子通过电极和电解液界面的传输，因此受到电极表面化学性质的影响。电极表面上特定的二烯基和三环己基功能团，以及表面的润湿性和局部电荷，将影响离子物种（Cl?、Ca2?、Mg2?）和有机物质的吸附，从而在电极表面附近产生浓度梯度和pH微环境。如果电极表面是疏水的或没有高度羟基化，将会形成静止的边界层，在氢生成过程中导致局部碱度增加，从而促进Mg(OH)?和CaCO?的沉淀，进而形成逐渐钝化的表面。然而，如果电极表面是亲水的或已经通过氧氢氧化物层动态重建，离子可以更容易地移动并通过表面，这将延缓沉积物的形成并降低界面电阻。最近的研究表明，Ca2?/Mg2?诱导的沉积影响更多地取决于离子传输机制、局部pH梯度以及界面质量传输阻抗，而不是单纯的海水总体成分。在电解过程中，阴极处氢生成产生的OH?会迅速提高表面附近的pH值；这种pH值的增加迫使CaCO?和Mg(OH)?沉淀物进入过饱和状态，从而阻塞电极的活性位点并产生额外的电荷传输阻力。当前的研究（Nature Communications, 2024, 15, 2950）进一步表明，控制形成的气泡的界面动力学以及从阴极表面转移沉淀物的能力对于防止不希望的沉积物过度积累和维持阴极表面的新鲜电解液供应至关重要。除了管理沉淀物的传输外，研究还表明用于形成阴极的材料也可以通过减轻绝缘沉积物的积累来影响电解过程。最近发表在Chem（2024, 10, 3067–3087）上的文章描述了一种自清洁的Pt-碳基底阴极架构，作为一种替代方法，通过动态机制重新分配和去除阴极表面形成的沉积物，而不是依赖静态的绝缘层积累机制。因此，同时控制表面化学和离子通量、气体-固体传输以及局部碱化、离子传输和沉淀物附着的反馈机制是成功减轻沉积物诱导的降解的关键。

生物膜的积累进一步加剧了生物污染和矿物沉积的速率，通过提供额外的扩散阻力，增加了与生物污染层相关的欧姆损失，并创造了pH和氧化还原电位局部变化的异质微环境。增加微生物影响腐蚀（MIC）速率的微环境会导致组件内的电流分布不均匀性和对活性催化剂表面的机械应力。用于海水电解的催化剂长期退化的结果是表面化学反应与离子传输之间相互作用、离子传输对污染速率的控制以及污染（电化学和机械）加速恶化之间的反馈循环所致。相比之下，淡水电解液——通常由去离子水或蒸馏水添加非反应性支持盐制成——不会受到结垢离子或高浓度Cl?的干扰，从而实现更稳定的工艺操作和提高法拉第效率。因此，在海水中，离子复杂性的结合导致了（1）ClER（氯气产生）、（2）结垢和（3）生物污染的同时出现，这需要更综合的方法来设计可行的催化剂、膜工程和系统操作，以有效进行海水电解。

电解条件在阴极位置促进矿物沉淀：Mg(aq)2+|+2OH(aq)?|→Mg(OH)2(s)|Ca2++CO32?→CaCO3(s) 这些观察结果与机制研究相符，研究表明电化学结垢主要发生在阴极表面，并且在海水电解中的氢气释放反应（HER）期间仍然是一个问题[41]。最近的文献表明，氢氧化镁（Mg(OH)2）和碳酸钙（CaCO3）是主要的结垢相，但它们显著降低了电极活性、气体释放和耐用性[28]。Han等人（2022年）提出了一种协同酸化策略，在电解过程中主动调节局部pH值（一种差异策略）[28]。重要的是，这些作者证明在电解过程中向天然海水中注入温和的酸，可以适度抑制Mg(OH)2和CaCO3的形成，而不会显著降低整体氢气释放效率。这种方法为实际海水电解系统中的结垢形成提供了有用且节能的解决方案。

不同的形态特性表明Mg(OH)2可以引发电极钝化，在长期运行中可能需要管理pH值[29]。为了进一步减少污染前体，包括过滤、凝聚和离子交换在内的预处理方法越来越被认为是在电解前进行预处理的关键[42]。这些方法有效减少了来自进水中的结垢和生物污染前体的浓度，从而延长了电解器的使用寿命并减少了维护成本。Jwa等人（2017年）开发了一种创新方法，引入了一种生物电化学沉淀系统，能够在电解过程中选择性去除形成结垢的离子（例如Ca2+和Mg2+）[43]。他们的研究成果发表在《Electrochimica Acta》上，证明可控的微生物-电化学相互作用可以产生局部pH梯度，使硬度离子远离电极表面沉淀并降低污染强度。这一概念为后续的原位结垢缓解措施提供了重要基础，包括脉冲电解或电化学除垢方法，旨在实时动态调节离子传输和表面沉淀。

生物污染和结垢显著降低了海水电解器的效率和耐用性。沉积的生物膜和矿物垢增加了界面电阻，提高了氢气和氧气释放的过电位和能耗[44]。关于镍基阳极的研究表明，生物膜的形成加速了局部腐蚀并阻塞了催化位点，降低了性能和长期稳定性[45]。更广泛的调查证实了这些效应，并强调了新兴的抗污涂层作为缓解策略[46]。生物膜的积累不仅阻塞了活性位点，还加速了催化剂的失活，导致活性和系统耐用性的严重下降[47]。微生物定植已被证明通过阻塞离子通道和增加污染阻力来阻碍催化性能[11]。除了性能下降外，生物膜的渗出物还创造了pH值和氧化还原条件改变的微环境，加剧了局部腐蚀（Rao，第26章）[26]。矿物结垢通过阻塞膜和分离器，降低了离子导电性，并引发了可能导致组件失效的机械应力。电极和电解器设计的进步，包括基底处理和保护涂层，已被广泛认为是缓解这些耐用性问题的有希望的方法[48]。现场规模的浮动海水电解平台进一步证明了现实世界环境放大了这些污染和结垢挑战[49]。

电化学环境主动塑造了生物污染和结垢之间的相互作用。电解反应改变了局部pH值、离子强度和氧化还原电位，调节了微生物附着和矿物沉淀[50]。在阴极氢气释放过程中，氢氧根的产生提高了碱度并加速了Mg(OH)2和CaCO3的结垢，而阳极过程产生的活性氧化物种可能抑制微生物生长或选择耐污染的生物膜。尽管氧气释放反应（OER，1.23 V vs. RHE）的热力学电位低于氯气产生反应（ClER，1.36 V vs. RHE），但海水中极高的氯离子浓度（约0.5 M）和界面Cl?氧化的快速动力学导致了在操作电流密度下的显著竞争。定量比较催化剂系统显示出不同的选择性。NiFe层状双氢氧化物（LDHs）是催化性能的基准，其ClER起始电位通常为+0.15至+0.25 V（比OER起始电位更正）。更重要的是，这些催化剂在碱性的海水操作电流密度为10-100 mA/cm2时的法拉第效率超过95%。在这方面，LDHs在10 mA/cm2的操作电流密度下可以实现280至320 mV的过电位，并且由于有效抑制了通过表面羟基化和动态重构为氧氢氧化物相的氯离子吸附，可以稳定运行超过1000小时。相比之下，过渡金属尖晶石氧化物（例如NiCo2O4、Fe掺杂的Co3O4）表现出中等的性能和ClER起始电位，介于+0.05至+0.10 V之间（比OER起始电位更正），这在高操作电流密度（>300 mA/Fe掺杂）下允许部分产氯。通过阳离子空位工程提高了过渡金属尖晶石氧化物的导电性和耐用性（在持续盐碱条件下可达约500小时），但持续盐碱操作下的OER法拉第效率通常降至85%至90%。

具有氧温度依赖性变化的钙钛矿，在氧空位的表现上表现出不同的机械机制，这改变了反应方式/活性，因为晶格氧被激活。尽管这些系统在10 mA/cm2下的OER过电位高于平均水平（400-450 mV），但由于较低的氯离子吸附能量，它们的氯氧化能力降低。这些材料的使用时间也有限，大约为300-800小时。这显示了这些材料的选择性和结构完整性之间的权衡。

本项目所有部分的数据提供了一个全面的视角，表明氯酸盐和OER之间的反应选择性由热力学因素以及表面吸附能量、晶格氧的参与以及催化剂重构的动态共同决定，最终决定了氯与氧的反应结果。这一新机制为当前许多镍/铁层状双氢氧化物催化剂为何是海水电解的最佳平衡催化剂提供了科学依据。这些催化剂在低过电位需求与高OER选择性和延长使用寿命之间取得了平衡。Bahuguna（2024年）详细概述了在海水氧化过程中抑制氯气产生的机制途径，强调了晶格阴离子调节、局部pH调节和选择性电解质工程[50]。这些策略共同展示了如何在盐碱环境中实现高OER选择性而不影响电流效率。

操作中的拉曼光谱揭示了实时氯氧化动态，显示了Cl?如何与OER中间体竞争并加速降解[52]。基于同步辐射的X射线研究提供了关于海水OER条件下活性位点演变的互补的原子级见解[53]。应对这些效应的策略包括耐氯/杂质的催化剂、流体动力学调节和受生物启发的抗污涂层。抑制氯气产生仍然是核心设计目标，最近的研究探讨了在盐碱条件下将ClER与OER分离的途径[50]。创新监测系统、受生物启发的涂层和由可再生能源驱动的集成清洁方法正在成为可持续海水操作的关键途径[54]。持续的海水分解可能依赖于在材料、电化学和系统设计中整合这些多尺度策略[55,56]。这些相互关联的机制说明了为什么需要跨越材料、表面化学和流体动力学的整体设计来克服海水特有的降解问题。

选择天然抵抗生物污染、结垢和腐蚀等特性的基础材料对于确保海洋电化学系统的长期稳定性和高效率至关重要。例如钛和钝化不锈钢，特别是富含铬的不锈钢，由于形成了抑制点蚀、粗化和界面退化的被动氧化层，在高[Cl?]区域可以保持稳定。

Saada等人（2025年）表面工程创新：案例研究和比较见解表面污染和结垢是膜基分离过程和电化学能源系统中的普遍挑战，尤其是在海水的严酷化学和离子条件下。这些现象降低了工艺效率，增加了操作停机时间，提高了化学维护要求，并最终缩短了系统寿命。纳米级表面工程的最新进展为通过开发抗污染膜来减轻这些效应开辟了新的途径。

抗污染膜的不断发展对于脱盐和电化学系统的膜相关性能和操作寿命至关重要。例如，使用接枝亲水聚合物（如2-氨基乙硫醇）的表面改性策略的最近发展，由于提高了表面的亲水性，改善了膜对有机和生物污染的抵抗力。

本文综述汇集了对海水电解（SWE）分散的理解，解决了一个重要的知识空白——对氯气产生（ClER）、结垢和生物污染的共存和相互联系的全面理解。这些退化机制历来是独立研究的；本综述强调了它们的相互关联性以及它们如何共同影响电化学稳定性、选择性和设备寿命。这一新颖的概念声明作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。