氯气（Cl₂）是现代工业的基础化学品，每年全球消耗量达数千万吨。其中，超过95%的氯气通过电解含氯盐水生产，这一过程每年消耗约100-200 TWh电力，占全球总发电量的几个百分点。过去数十年，尽管人们在提升氯气生产能效方面投入了大量努力，如开发新型阳极材料以提高电荷利用率，但由于当前工艺的电荷利用率已超过95%，成效十分有限。

值得注意的是，氯气生产的核心要素：能量和氯离子，广泛存在于海水、海水淡化废水、工业废酸和制药废水等盐水中，这些盐水中高浓度的氯离子在排入低盐度水体（河水、湖水等）时会产生显著的渗透势，可被捕获用于发电。例如，全球每年排放的海水淡化废水超过500亿吨，氯离子浓度通常超过1 M，与海水混合时每吨可释放超过0.2 kWh渗透能，每年潜在产生超过10 TWh电力。若将这部分渗透能加利用，理论上足以驱动盐水中氯离子的转化，生产超过450万吨氯气。海水与河水的混合虽然收集难度更大，但可释放更多能量。此外，工业上每年产生的数百万吨含高浓度氯离子的废酸，也具有可观的能量和潜在的氯气生产价值。

基于此发现，青岛能源所仿生能源界面技术研究中心高军研究员团队提出废水无能耗生产氯气的方法，利用氯化物盐水中的固有渗透能和氯离子，自发生产氯气。该方法无需外部能源输入，同时可回收酸并副产氢气，有望大幅降低氯气生产的碳足迹和成本（图1）。

图 1 传统氯碱系统与自发氯气生产系统的示意图

为确保回收酸的纯度并抑制电极上金属离子的还原副反应，研究团队开发了磺化共价有机框架（COF）膜，该膜材料具有丰富的磺酸基团，能借助水分子形成氢键网络，实现质子快速传输的同时，有效阻隔重金属离子和有机污染物。

为维持系统连续运行，氯离子和质子必须以相同速率从废酸传输到回收酸中，但不能同时通过膜以避免抵消离子电流。在本研究中，研究团队采取的分离传输方式允许氯离子通过Ag/AgCl电极可逆电化学反应有效传输，而膜仅允许质子通过。这种方式使氯离子反应产生的氧化还原电位与质子选择性扩散形成的扩散电位相叠加，显著提升了系统的发电性能，并加快了质子与氯离子的传输。

渗透能捕获性能直接决定了氯气生产的效率，研究人员还系统探究了在不同浓度梯度下系统的渗透能捕获能力（图2）。在10倍的浓度梯度下，输出功率密度峰值可达55 W m^-2，远高于先前的膜材料，且该性能可稳定维持超过15天无明显衰减。即使在模拟废酸中加入高浓度的重金属离子和有机污染物，磺化COF膜仍展现出卓越的抗污染能力和极低的金属离子渗透率。

图 2 渗透能捕获性能

通过串联多组发电单元构建装置，研究团队实现了氯气和氢气的自发生产（图3）。采用18组单元串联装置时，氢气和氯气的产率均能够超过150 L m^-2 h^-1，并可稳定运行至少7天。与传统电解工艺相比，该系统无需外部电力输入，大幅降低了氯气生产的碳排放和成本。该方法具有良好的适用性，已在模拟脱盐废水中验证氯气生产，并有望扩展至硝酸盐废水，实现氨气等其他关键化学品的自发生产。

图 3 自发氯气生产

相关研究成果以“Spontaneous chlorine production from chloride-containing brines”为题，近期在线发表于Nature Communications。博士研究生朱晨光为文章第一作者，通讯作者为高军研究员。该研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省重点研发项目以及研究所自主部署强基计划等资助。（文/图 朱晨光）

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-68181-7

Zhu, C., Li, Q., Li, M. et al. Spontaneous chlorine production from chloride-containing brines. Nat Commun (2026).