谢和平院士团队开创海水原位直接电解制氢全新路径破解该领域半世纪难题-碳汇门户网

11月30日，谢和平院士与他指导的深圳大学/四川大学博士生团队在《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，建立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，另辟蹊径，彻底隔绝海水离子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），破解了海水直接电解制氢半世纪难题，可望形成中国原创的“海洋绿氢”全球新兴战略产业！正如《Nature》评审专家所评述：“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。他们完美的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！”

绿色零碳氢能是未来能源发展的重要方向，随着氢能爆发式增长，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！但复杂的海水成分（约92种化学元素）导致海水制氢面临诸多难题与挑战。先淡化后制氢是当前最成熟的海水制氢技术路径，目前已在全球多国开展规模化示范工程项目。但该类技术严重依赖大规模淡化设备，工艺流程复杂且占用大量土地资源，进一步推高了制氢成本与工程建设难度。上世纪70年代初有科学家提出了海水可否直接电解制氢呢？这半个世纪以来，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，迄今为止，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！

谢和平院士提出了从物理力学与电化学相结合的全新思路破解海水直接电解制氢面临的难题与挑战，从而创造性地开创了海水无淡化原位直接电解制氢新原理与技术。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，破解了有害腐蚀性这一困扰海水电解制氢领域的半世纪难题（已申请专利：CN2021110197054；CN114481164A；CN2022110704439；CN2022110748884；PCT/CN2022/128225）。与此同时，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，令人信服的从海水中实现了稳定和规模化制氢过程！此外，进一步开发了酸性和碱性固态凝胶电解质，以表明相变迁移策略适配不同电解质材料并有望伴随PEM和AEM电解技术迭代发展。同时，该原理技术可探索推广到多元化水资源（如河水、废水、盐湖等）直接原位制氢，为资源富集浓缩与能源生产提供多效利用新思路。正如《Nature》审稿人对该研究给予的高度评价：“这项工作提供了一种有吸引力的策略，可以将非饮用水用于社会和生态中可持续燃料的生产，我认为这是一个重大突破！”

“海水无淡化原位直接电解制氢”融汇多学科理论，是我国自主研发的原创性原理与技术突破，开辟了全球海水制氢的全新路径；该技术可集“海上风电等可再生能源利用-海水资源利用-氢能生产”为一体，可望形成无淡化、无额外催化剂工程、无海水输运、无污染处理的原位海水直接电解制氢全新模式，真正意义上将取之不尽的“海水资源”转化为“海水能源”！该技术未来可构建与海上可再生能源相结合的一体化原位海水制氢工厂，有望成为深远海可再生电力大规模开发的破局关键，加速推进形成多能互补的中国原创“海洋绿氢”全球新兴战略产业！

论文直接链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05379-5

Abstract

Electrochemical saline water electrolysis using renewable energy as input is a highly desirable and sustainable method for the mass production of green hydrogen; however, its practical viability is seriously challenged by insufficient durability because of the electrode side reactions and corrosion issues arising from the complex components of seawater. Although catalyst engineering using polyanion coatings to suppress corrosion by chloride ions or creating highly selective electrocatalysts has been extensively exploited with modest success, it is still far from satisfactory for practical applications. Indirect seawater splitting by using a pre-desalination process can avoid side-reaction and corrosion problems, but it requires additional energy input, making it economically less attractive. In addition, the independent bulky desalination system makes seawater electrolysis systems less flexible in terms of size. Here we propose a direct seawater electrolysis method for hydrogen production that radically addresses the side-reaction and corrosion problems. A demonstration system was stably operated at a current density of 250 milliamperes per square centimetre for over 3,200 hours under practical application conditions without failure. This strategy realizes efficient, size-flexible and scalable direct seawater electrolysis in a way similar to freshwater splitting without a notable increase in operation cost, and has high potential for practical application. Importantly, this configuration and mechanism promises further applications in simultaneous water-based effluent treatment and resource recovery and hydrogen generation in one step.