深圳大學破解海水直接電解制氫難題

中國教育報-中國教育新聞網訊（通訊員 婁卓男 李世卓 王若琳 記者 劉盾）近日，中國工程院院士謝和平與他指導的深圳大學、四川大學博士團隊，以深圳大學為第一單位在《自然》雜志上發表了研究成果。該研究首次從物理力學與電化學相結合的全新思路，建立了相變遷移驅動的海水無淡化原位直接電解制氫全新原理與技術。該研究另辟蹊徑，徹底隔絕海水離子，同時實現了無淡化過程、無副反應、無額外能耗的高效海水原位直接電解制氫技術突破，即把海水當純凈水用，在海水里直接原位電解制氫。這破解了海水直接電解制氫的難題，可望形成中國原創的“海洋綠氫”全球新興戰略產業。

《自然》雜志評審專家評述該成果：“很少有論文能夠令人信服從海水中實現規模化穩定制氫，但該論文的工作恰恰做到了這一點。他們完美解決了有害腐蝕性這一長期困擾海水制氫領域的問題，將打開低成本燃料生產的大門，有望推動變革走向更可持續的世界！”

據介紹，綠色零碳氫能是未來能源發展的重要方向。海洋是地球上最大的氫礦，向大海要水是未來氫能發展的重要方向。但復雜的海水成分（約92種化學元素），導致海水制氫面臨諸多難題與挑戰。先淡化后制氫是當前較成熟的海水制氫技術路徑，目前已在全球多國開展規模化示范工程項目。但該類技術嚴重依賴大規模淡化設備，工藝流程復雜且占用大量土地資源，進一步增加了制氫成本與工程建設難度。

20世紀70年代初，有科學家提出，海水可否直接電解制氫呢？半個世紀以來，國內外多個知名研究團隊通過催化劑工程、膜材料科學等手段，進行了大量探索研究，旨在破解海水直接電解制氫面臨的析氯副反應、鈣鎂沉淀、催化劑失活等難題。然而一直未有突破性的理論與原理能夠徹底避免海水復雜組分對電解制氫的影響，可規模化的高效穩定海水直接電解制氫原理與技術仍是世界空白。

謝和平院士提出了從物理力學與電化學相結合的全新思路，破解海水直接電解制氫面臨的難題與挑戰，從而開創了海水無淡化原位直接電解制氫新原理與技術。該成果通過將分子擴散、界面相平衡等物理力學過程，與電化學反應巧妙結合，建立了相變遷移驅動的海水直接電解制氫理論模型，揭示了微米級氣隙通路下界面壓力差對海水自發相變傳質的影響機制，形成了電化學反應協同海水遷移的動態自調節穩定電解制氫方法，破解了有害腐蝕性這一困擾海水電解制氫領域的半世紀難題。

與此同時，謝和平院士團隊研制了全球首套400L/h海水原位直接電解制氫技術與裝備，在深圳灣海水中連續運行超過3200小時，從海水中實現了穩定和規模化制氫過程。此外，該研究團隊還進一步開發了酸性和堿性固態凝膠電解質，以表明相變遷移策略適配不同電解質材料，并有望伴隨PEM和AEM電解技術迭代發展。據悉，該原理技術可探索推廣到河水、廢水、鹽湖等多元化水資源直接原位制氫，為資源富集濃縮與能源生產提供多效利用新思路。正如《自然》雜志審稿人對該研究給予的高度評價：“這項工作提供了一種有吸引力的策略，可以將非飲用水用于社會和生態中可持續燃料的生產，我認為這是一個重大突破！”