氫能是全球公認的清潔能源，也是實現(xiàn)“碳中和”目標的重要途徑，未來綠氫有望成為氫能產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)力量。
然而，獲得1公斤綠氫至少需要消耗9公斤水，在傳統(tǒng)電解水的技術(shù)路線中，巨量的淡水資源消耗是限制氫能發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸之一。
陸地水資源有限，科學(xué)家們便把目光投向了海洋......
漫畫：馮大美
10月15日，中國工程院院士、深圳大學(xué)教授謝和平團隊以深圳大學(xué)和四川大學(xué)共建的深地工程智能建造與安全運維全國重點實驗室為第一單位，在Nature子刊上發(fā)表海水制氫最新成果。
不同于2022年11月謝和平院士團隊《自然》正刊上提出的相變遷移海水直接電解制氫顛覆性原理技術(shù)，該研究是謝和平院士團隊圍繞海水中的氯離子引發(fā)副反應(yīng)和電極腐蝕現(xiàn)象，提出的另一種新的解耦式海水直接電解制氫策略。
論文系統(tǒng)研究了鐵氰酸根/亞鐵氰酸根電對([Fe(CN)6]3?/4?)在真實海水體系下可逆氧化還原特性，探明了電解系統(tǒng)陰極析氫反應(yīng)與陽極亞鐵氰酸根氧化反應(yīng)的高效性，厘清了解耦體系下氧氣自發(fā)穩(wěn)定產(chǎn)出的反應(yīng)機理，實現(xiàn)了全新系統(tǒng)在真實海水環(huán)境下250小時的長時間穩(wěn)定。該項原理技術(shù)巧妙規(guī)避了海水中氯離子對電解制氫反應(yīng)的干擾，充分驗證了解耦式海水直接電解制氫系統(tǒng)在復(fù)雜海水環(huán)境下的抗腐蝕性與對氯離子副反應(yīng)的應(yīng)用潛力，將有助于豐富和進一步構(gòu)建破解海水復(fù)雜成分影響的海水電解制氫理論體系和技術(shù)框架。
解耦式海水直接電解制氫策略
該研究針對海水制氫中最棘手的氯離子干擾難題，引入氧化還原介導(dǎo)的解耦策略，利用兼具熱力學(xué)和動力學(xué)優(yōu)勢的陽極反應(yīng)，巧妙規(guī)避了傳統(tǒng)電解水制氫過程中析氧反應(yīng)與氯離子反應(yīng)的直接競爭，大幅降低了電化學(xué)腐蝕。在該研究中，[Fe(CN)6]3?/4?電對在海水中不僅保持了優(yōu)異的可逆氧化還原動力學(xué)特性，而且在200 mA cm?2的接近工業(yè)級電流密度下實現(xiàn)了超過250小時的長時間穩(wěn)定運行。
Fe(CN)6]3?/4?電對在海水中的氧化還原性能
解耦式海水直接電解制氫系統(tǒng)及電解制氫效果
院士答疑
Q1：海水直接電解制氫的難點是什么？
謝和平：主要難點在于海水成分非常復(fù)雜。海洋是地球上最大的連續(xù)礦體，幾乎擁有自然界所有元素。這些元素可能影響電解水制氫反應(yīng)的正常進行。
比如，氯離子引發(fā)的析氯反應(yīng)有可能和本來該發(fā)生的析氧反應(yīng)競爭而導(dǎo)致催化劑腐蝕毒化；鈣、鎂等離子容易在電解反應(yīng)過程中形成沉淀物，像“血栓”一樣堵塞在制氫系統(tǒng)內(nèi)部各個關(guān)鍵位置上，導(dǎo)致電解系統(tǒng)失效。
同時，不同時段、不同地理位置、不同深度的海水包含的離子、雜質(zhì)、微生物等成分差異非常大，海水成分差異和波動使催化劑和電解槽對海水水質(zhì)的兼容性也提出了非常大的挑戰(zhàn)。
我們團隊在攻關(guān)研發(fā)過程中形成了三大原理技術(shù)：一是海水無能耗傳質(zhì)原理技術(shù)，二是電解質(zhì)自激發(fā)驅(qū)動的連續(xù)制氫原理技術(shù)，三是電解界面穩(wěn)態(tài)自調(diào)節(jié)原理技術(shù)。最終，我們自主攻關(guān)形成了全球首套400升/小時的制氫設(shè)備原理樣機，整體吊裝在海水里實現(xiàn)了3200小時的穩(wěn)定制氫。
Q2：上述技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化情況如何？
謝和平：論文在《自然》發(fā)表后，我們團隊聯(lián)合東方電氣進行產(chǎn)學(xué)研合作，雙方簽署了合作協(xié)議，并組建聯(lián)盟共同推進海水直接電解制氫技術(shù)的海試、工程示范和產(chǎn)業(yè)化。我們聯(lián)合設(shè)計了海水直接制氫的漂浮式平臺，并聯(lián)了三套原理樣機。2023年6月，經(jīng)中國工程院專家組現(xiàn)場考察后確認，雙方開展的全球首次海上風(fēng)電無淡化海水原位直接電解制氫技術(shù)海上中試在福建興化灣海上風(fēng)電場獲得成功，驗證了在海上直接和綠電對接做電解制氫的可行性，同時也驗證了在不可控波動環(huán)境下、抗海洋風(fēng)浪的可行性。
全球首個海上風(fēng)電海水無淡化原位直接電解制氫海試成功。（學(xué)校供圖）
Q3：未來如何進一步推動海水直接電解制氫發(fā)展？
謝和平：從技術(shù)發(fā)展角度，我們提出了原理技術(shù)的迭代升級，加快步伐攻關(guān)第二代更高效、更高兼容性、更高穩(wěn)定性的分體式海水直接電解制氫核心技術(shù)及裝備，保持海水直接制氫技術(shù)的全球領(lǐng)先優(yōu)勢。應(yīng)用方面，下一步，我們要打造100標準立方米/小時氫氣規(guī)?！爸啤獌Α谩比湽こ淌痉?，打造全新的海水無淡化原位直接制氫產(chǎn)業(yè)賽道。
未來，我們希望將團隊原創(chuàng)性技術(shù)直接對接海上風(fēng)電等可再生能源，實現(xiàn)無海水淡化過程、無額外催化劑工程、無海水泵送輸運過程、無海水污染處理過程以及無海水淡化預(yù)處理設(shè)備平臺的無需額外能耗海水原位直接電解制氫。這意味著，當海上風(fēng)電上網(wǎng)電價為0.2元/千瓦時至0.3元/千瓦時，綠氫生產(chǎn)成本則約15.89元/公斤至21.49元/公斤，相比煤制灰氫9元/公斤至12元/公斤，以及天然氣制藍氫20元/公斤至24元/公斤，極具降本空間。同時，隨著未來海上風(fēng)電技術(shù)的進一步發(fā)展和上網(wǎng)電價下降至0.1元/千瓦時左右及以下時，海水直接制氫成本有望低于煤制灰氫成本。
科普一下
氫氣也分“顏色”？
氫氣的“顏色”并不是真實存在的顏色，而是根據(jù)生產(chǎn)來源不同將其形象劃分成“綠氫”“藍氫”和“灰氫”。
“綠氫”是指采用風(fēng)能、水能、太陽能等可再生能源制備得到的氫氣，制備過程中完全沒有二氧化碳的排放；
“藍氫”指利用煤炭、石油、天然氣這類化石燃料制備得到的氫氣，但同時配合以碳捕捉、碳封存技術(shù)來降低碳排放強度；
“灰氫”則是通過化石燃料制備的氫氣，碳排放量大但制備成本低。
圖源：中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會氫能產(chǎn)業(yè)專業(yè)委員會
【新聞鏈接】
“氫”舟已過萬重山
深圳氫能產(chǎn)業(yè)邁入快速發(fā)展新階段
深圳頒發(fā)首張加氫站氣瓶充裝許可證，實現(xiàn)零的突破；深交所發(fā)布深證氫能指數(shù)，總市值超過7000億備受關(guān)注……近段時間，深圳氫能產(chǎn)業(yè)喜訊頻傳，產(chǎn)業(yè)邁入快速發(fā)展新階段。
依靠良好的產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)，從2017年全市不足20家，發(fā)展到2024年近200家產(chǎn)業(yè)相關(guān)企業(yè)、科研院所及創(chuàng)新平臺，深圳氫能產(chǎn)業(yè)逐步形成以領(lǐng)軍企業(yè)牽頭、產(chǎn)學(xué)研深度合作、上下游協(xié)同的全國領(lǐng)先的產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢。目前，深圳產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)在氫氣制、儲、運、加、用各個環(huán)節(jié)不斷創(chuàng)新突破，研發(fā)實力雄厚，技術(shù)發(fā)展、示范應(yīng)用開拓及市場占有率處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。
（綜合來源：深圳特區(qū)報、深圳商報·讀創(chuàng)客戶端、中國能源報、中國科學(xué)院大連物化所）
