向大海取水制氢需要怎样的黑科技？丨天工开问㊸

封面新闻记者 马晓玉

氢气是当下最具发展潜力的清洁能源之一，国际能源署预估到2050年全球制氢系统消耗淡水将达到121亿立方米。当然，有限的淡水资源不可能任由我们肆无忌惮地挥霍。于是，科学家们将目光投向了地球上最大的氢矿——海洋。

向大海取水是未来氢能发展的重要方向，但海水复杂组分引起的毒性和腐蚀性等问题，让海水直接电解制氢近半个世纪以来一直停留在实验室阶段。

如何才能实现长期稳定制氢，将“海水资源”转化为“海水能源”？日前，在第三届天府科技云服务大会上，四川大学新能源低碳技术研究院研究员、谢和平院士海水制氢团队成员刘涛向封面新闻记者讲述海水无淡化原位直接电解制氢技术从灵感萌芽到落地的故事。

从无到有

样机可在海水中稳定制氢超3200小时

可再生能源海水无淡化原位直接电解制氢平台

自20世纪70年代初有科学家提出了海水直接电解制氢的构想以来，美国斯坦福大学、法国国家科学研究中心、中国科学院等国内外知名研究团队通过催化剂工程、膜材料科学等手段进行了大量探索研究，旨在破解海水直接电解制氢面临的析氯副反应、钙镁沉淀等难题。海水制氢领域百花齐放，各大团队都取得了显著的成绩。

海水无淡化直接电解制氢到底有何魅力，让众多国内外科学家前仆后继？既然如此费力，又为何不将海水淡化后再制氢？刘涛表示，“其实，先淡化后制氢的间接电解制氢模式早已成为当前最成熟的海水制氢技术路径，但该类技术依赖淡化设备，工艺流程较为复杂，需要额外的淡化能耗，这会推高制氢成本并带来一定的工程建设难度。”因此，不需要通过淡化过程、又不需要额外能耗的海水直接电解制氢仍然是首要选择。

谢和平院士正指导团队工作

为了破解有害腐蚀性这一困扰海水电解制氢领域半世纪的难题，谢和平院士领导的团队另辟蹊径，开创了将分子扩散、界面相平衡等大自然的物理力学过程与电化学反应巧妙结合的新路径，形成了界面压力差海水自发相变传质的力学驱动机制，实现了无额外能耗的电化学反应协同海水迁移的动态自调节稳定海水直接电解制氢。

此外，团队自主研制的每小时产氢400升的电解原理样机在深圳湾海水中稳定制氢超3200小时，彻底隔绝海水离子的同时实现了无淡化过程、无副反应、无额外能耗的规模化高效海水原位直接电解制氢技术突破。相关成果于2022年11月30日发表在Nature上，入选“2022年度中国科学十大进展”（科技部高技术中心评选）。

源自偶然

一场巧合勾勒出《Nature》文章雏形

海水无淡化原位直接制氢原理

“海水直接电解制氢原理的建立源于谢院士一次偶然的发现。”

刘涛回忆道，“其实我们刚开始解决海水制氢难题的时候，也是采用催化剂改性的方法，但是谢和平院士说，‘别的团队做了几十年都没有通过催化剂工程解决海水制氢的问题，我们一点催化剂基础都没有，要想超越根本不可能。如果不打破常规，跳出现有传统的思维模式，从原理上彻底创新，不可能解决海水直接制氢的问题。’”

彼时正值谢和平院士在川大主持召开取芯探矿领域的国家重大科研仪器研制项目进展讨论会，当中一项重点攻关内容就是在钻取岩心的同时在其表面原位生成一张高分子薄膜包覆岩心，从地球深部取出“活体”岩心，继而避免岩心内部物质信息的损失。

刘涛及其他团队成员正在向谢和平院士汇报研究成果，“在利用疏水组分改性的膜材包覆岩心后，几乎没有检测到岩心内部的矿物成分、离子成分散失，验证了膜材具有良好的保质效果，但岩心内部的水分在长时间测试下发生了一定损耗。”谢和平院士当即打断说道：“这不就是我们海水制氢一直想要实现的过程吗，只有水能够通过，其他成分不能过？”

“那一瞬间大家都被点醒了，就是这样一场巧合勾起灵感火花——《Nature》文章的雏形。”刘涛回忆道。

从2020年这一原理被提出，到2022年11月30日在《Nature》上见刊，研究团队花了两年多的时间来实现这一创造性的构想。Nature副主编评论道，“很少有论文能够令人信服地从海水中实现规模化稳定制氢，但该论文的工作恰恰做到了这一点。他们完美地解决了有害腐蚀性这一长期困扰海水制氢领域的问题，将打开低成本燃料生产的大门，有望推动变革走向更可持续的世界！”

随后不到20天时间，团队就和东方电气签署了合作协议，并于2023年5月27日在福建省福清市完成全球首个海上风电海水无淡化原位直接电解制氢海试，在3-8级风浪、0.3-0.9米浪的复杂环境下实现稳定运行10天。

前景广阔

开启无需纯水的制氢新时代

海水无淡化原位直接电解制氢规模化技术装备及稳定性

该技术的发展前景如何？刘涛表示，海水无淡化原位直接电解制氢技术不仅有望开启无需纯水的制氢新时代，节约淡化设备投入和淡化成本。从能源的角度来说，还有望成为可再生能源，是深远海风电大规模并网消纳难、工程投资/电力输送成本高等问题的破局关键！构建与可再生能源相结合的一体化无需纯水的电解制氢工厂，助力形成多能互补一体化新能源产业。

另一方面，该技术还有望实现众多水溶液（废水、盐湖水、矿井水等）的资源化、能源化双效利用，直接制氢同时实现高附加值产物浓缩富集（如锂、铀、海盐等），实现更具经济潜力的制氢新模式，扩展电解水制氢技术的应用场景和技术延展性。

未来还会开发第二代更抗海洋环境干扰的海水直接制氢系统，在规模上实现由每小时100到1000标方，再到3000标方的突破。同时，还会进一步拓宽应用场景和经济潜力，如应用到油田水、矿井水、盐湖水等。

当然，这一切未来成就实现的前提是立足于当下的实践，刘涛表示，“当下我们还需要不断对制氢装备的真实环境耐受性、稳定性和规模化进行攻关，对技术体系不断的迭代升级也是我们接下来一直需要攻关的内容。比如：开发具有高穿透压与力学强度的聚合物膜材，形成抗海风、海浪等复杂环境干扰的海水相变迁移传质技术。再比如：制氢规模从现在的每小时产氢0.4标方突破到每小时产氢1000标方的大型化过程中，如何实现电解系统的优化设计与集成技术，如何加强与可再生能源的适配性，如何实现性能指标的不断提升等等。”

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