众所周知，绿色氢需要大量的水进行电解，每千克氢需要9升纯水。一个国际团队日前表示，他们发现了一种在标准电解槽中使用海水电解的简单方法，这对清洁能源来说是个大新闻。

来自澳大利亚阿德莱德大学、中国天津大学和南开大学以及美国肯特州立大学的一个国际团队发表了一项新研究，声称在电解槽中的催化剂上覆盖一层简单、廉价的酸性涂层，可以使其以“几乎100%的效率”分解海水，而无需除过滤外的任何预处理步骤。研究小组称，一个典型的电解器催化剂可能是由氧化钴制成的，其表面有氧化铬。海水电解通常会因氯离子的严重侵蚀性破坏这些催化剂，或者不溶的镁和钙沉淀物将其污染，这些沉淀物会堆积并堵塞电极。

但研究人员指出，在催化剂上添加刘易斯酸层，似乎能够从海水中捕获足够的带负电荷的羟基阴离子，在催化剂周围产生一个pH值为14的强碱性环境，阻止氯离子对催化剂的攻击和电极上沉淀物的形成。

研究人员说：“我们已经将天然海水以接近100%的效率分解成氧气和氢气，其步骤为在商业电解槽中使用一种不昂贵且廉价的催化剂，通过电解生产绿色氢气。我们的催化剂使海水电解效率接近于纯水。”这项最新的研究成果已于近期发表在了《自然能源》杂志上。

研究人员特别强调，展望未来几十年，有两件事似乎是明确的：对绿色氢的需求将会很大，而预计到2025年影响世界三分之二人口的水资源短缺将会变得更加严重。

但是，如果绿色氢可以用海水大量生产，那么无论在任何地方使用，无论是在燃料电池中还是在燃烧过程中，它最终都会与氧气结合，以淡水的形式释放到环境中。

海水制氢技术发展现状

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。为此，以海水为原料制氢形成了海水直接制氢和间接制氢两种不同的技术路线。其中，海水间接制氢本质上是淡水制氢，淡水电解制氢已商业化，目前海水制氢的国内外示范项目中，实质也是海水淡化后电解制氢技术，再利用海上风能和太阳能将水分解成氢气和氧气。

海水直接制氢的路线则主要通过光解水制氢或电解水制氢方式制取。光解制氢是在光的作用下，直接将光能转化为化学能，其本质是半导体材料的光电效应。由于海水的成分复杂和缺乏高效的催化剂，光解制氢还停留在机理探索和早期试验阶段，直接利用海水光解制氢的研究并不多，研究主要围绕催化剂、助催化剂、牺牲剂、光源、海水的影响等开展。

在海水直接电解制氢方面，半个世纪以来，美国斯坦福大学、法国国家科学研究中心、澳大利亚阿德莱德大学、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、催化剂失活等难题。然而一直未有突破性的理论与原理彻底避免海水复杂组分对电解制氢的影响，可规模化的高效稳定海水直接电解制氢原理与技术仍是世界空白。

如何征服复杂的海水成分？谢和平院士鼓励跳出传统思维

据悉，预计到2060年，我国氢气年需求量将达1.3亿吨，届时每年需要消耗约11.7亿吨电解用纯水。然而，淡水资源紧缺将严重制约“绿氢”技术的发展。海洋是地球上最大的氢矿，向大海要水是未来氢能发展的重要方向，复杂的海水成分成为最大的“拦路虎”。

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。近半个世纪以来，国内外研究团队一直在进行相关研究。然而，可规模化的高效稳定海水直接电解制氢原理与技术仍是世界空白。

随时随地讨论总结、日夜不停做实验搞分析、轮班彻夜观察设备运行……是谢和平院士海水制氢研究团队突破技术难题时的常见状态。

研究团队查阅近五十年海水直接电解制氢的文献，近乎99%以上都是一个方案——催化剂改性。刘涛告诉记者：“这也是我们一开始着手的方案，但我们对催化剂材料知之甚少，进展也很缓慢。”期间，谢和平院士鼓励大家跳出传统思维模式，首次开创了将物理力学与电化学相结合的全新思想，提出了相变迁移驱动的海水直接电解制氢原理与技术。

2021年研究团队验证了将物理力学与电化学相结合的海水直接电解制氢全新思路是可行的，但进一步研究就遇到了非常头疼和棘手的问题，怎么实现体系的高效性和稳定性？为了克服这个难题，谢和平院士那段时间每天组织大家开会讨论、制定实验方案，寻找解决问题的突破口，不分昼夜几乎无休地寻找原因。除了身体上的疲惫，精神上的不安和焦虑更加磨人。

想要突破长达半世纪的科学难题、取得具有颠覆性意义的科研成果是满途荆棘的，在这种紧张的节奏中，谢和平院士海水制氢团队的所有研究人员鼓足干劲共同努力，终于在2021年6月，取得了突破性的进展。其研究成果于2022年11月成功发表在《Nature》期刊上。

随着技术深度挖掘和应用拓展，后续还会遇到许多工程化难题，例如：如何在大体量下控制优化海水迁移过程？如何与现有工业成熟电解系统匹配耦合？未来的挑战还在继续。

氢能被认为是未来能源结构体系的核心，其能量密度大、清洁、高效、无碳排放，是实现减碳最有效的能源替代产品之一。刘涛告诉记者，现在由于海上风电等可再生能源难利用，弃风弃电多，加上海上电力输送成本高、损耗大，若是能利用海上可再生能源转化为氢能，将大幅降低输送成本，有望成为未来深远海可再生能源开发的破局关键。

据了解，关于氢气氢能的应用，当下比较热门的研究是氢气可替代焦炭作为还原剂应用于冶金行业；而氢气的燃烧或氧化过程可以释放能量，例如用于氢燃料电池，目前已经有商业化的氢能源汽车、重卡、邮轮等等。随着氢气生产和氢能应用的持续发展，相关的应用将在人们的生活中变得更加常见。

此外，氢气的储运也是需要攻关的研究方向，氢气储存的高压储罐材料及类型同国际先进水平仍有一定差距，若是氢气储运成本较高，这就会进一步提高氢气的使用成本。

现阶段，谢和平院士海水制氢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，已经在深圳湾海水中连续运行超3200小时，无污染和催化剂腐蚀，在真实海水中实现了原位、稳定、规模化的制氢过程。

海水无淡化原位直接电解制氢技术不仅减碳还环保。刘涛介绍到，技术装备在使用过程中，主要是通过分解水来产生氢气和氧气，零污染制氢。同时相比于先淡化后制氢的传统电解水模式，该技术省去了先淡化过程，也避免了淡化后产生的高浓、高温盐水的污染排放等问题。更具潜力的是，该项技术包含的相变迁移机制，实质上就是从非纯水中捕获纯净水的过程，因此，它也可以用于其它的一些非常规水资源，例如河水、湖水、工业废水等，实现非纯水的资源化、能源化双效利用。

文章来源： 燃料电池与氢能观察，红星新闻，环 球零碳