“海水直接电解制氢”入选2022年度中国科学十大进展

近日，科学技术部高技术研究发展中心（科学技术部基础研究管理中心）发布了2022年度中国科学十大进展。其中，深圳大学深地科学与绿色能源研究院院长、中国工程院院士谢和平与其团队的研究成果“全新原理实现海水直接电解制氢”成功入选。

谢和平院士 图源：深圳大学

海水直接电解制氢是一项具有重大意义的技术创新，具有可持续性、低成本、高效性、环境友好等优点。因此，海水直接电解制氢技术的成功研发对于促进可持续能源发展、实现低碳经济和推动环保事业等方面都具有重要的意义。

氢作为高效低碳的能源载体、绿色清洁的工业原料，在交通、工业、建筑、电力等多领域拥有丰富的应用场景，成为了21世纪人类可持续发展具潜力的二次清洁能源。

然而，目前几乎所有的体系都使用淡水资源作为电解液，全球淡水资源极其有限，仅占总水量的3.5%左右，这无疑加剧了淡水资源短缺问题。

同时，海水占地球全部水量的96.5％，与淡水不同，其成分非常复杂，涉及的化学物质及元素有92种。海水的盐度大约为35‰，其中钠、镁、钙、钾、氯、硫酸离子占海水总含盐量的99％以上。海水中所含有的大量离子、微生物和颗粒等，会导致制取氢气时产生副反应竞争、催化剂失活、隔膜堵塞等问题。

传统上，制取氢气需要通过对水进行电解，但这需要将水先进行淡化处理以去除其中的杂质和离子，以免在电解过程中对电极产生腐蚀或堵塞，而淡化海水需要消耗大量的能源和成本，从而限制了氢气的生产规模和经济性。因此，海水复杂组分引起的副反应和腐蚀性等问题一直是海水直接电解制氢难以破解的重大难题。

针对海水直接电解制氢的难题，2022年11月30日，谢和平院士与他指导的深圳大学/四川大学博士团队以深圳大学为名列前茅单位在Nature上发表了题为“A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation”的研究成果。

该研究首次从物理力学与电化学相结合的全新思路，开创了相变迁移驱动的海水无淡化原位直接电解制氢全新原理与技术，彻底隔绝海水离子的同时，实现了无淡化过程、无副反应、无额外能耗的高效海水原位直接电解制氢技术突破(即把海水当纯净水用，在海水里直接原位电解制氢)，破解了困扰该领域长达半世纪的难题。

Nature评审专家评述该成果：“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！”

据悉，该成果通过将分子扩散、界面相平衡等物理力学过程与电化学反应巧妙结合，建立了相变迁移驱动的海水直接电解制氢理论模型，揭示了微米级气隙通路下界面压力差对海水自发相变传质的影响机制，形成了电化学反应协同海水迁移的动态自调节稳定电解制氢方法。

该项研究的关键点是将基于自驱动相变机制的原位水净化工艺集成到海水电解中，这是通过应用疏水多孔聚四氟乙烯(porous polytetrafluoroethylene, PTFE)防水透气膜作为气路界面，采用浓氢氧化钾(KOH)溶液作为自阻尼电解质(self-dampening electrolyte, SDE)实现的。

目前，该团队研制了全球首套400L/h海水原位直接电解制氢技术与装备，在深圳湾海水中连续运行超3200小时，令人信服地从海水中实现了稳定和规模化制氢过程。

2022年12月，谢和平院士团队与东方电气股份有限公司、东方电气（福建）创新研究院有限公司签署了“海水无淡化原位直接电解制氢原创技术中试和产业化推广应用”的四方合作协议，打造的全球为数不多的海上风电无淡化海水原位直接电解制氢平台将在福建进行海上中试。

中国工程院院士谢和平表示，“海水资源能不能转变为海水能源，能不能直接制氢，这是半个世纪以来的难题。我们团队通过整整三年的努力达成了成果，接下来准备在三月底左右试验在大海里能不能实现。”