深圳大學(xué)破解海水直接電解制氫難題

中國(guó)教育報(bào)-中國(guó)教育新聞網(wǎng)訊（通訊員 婁卓男 李世卓 王若琳 記者 劉盾）近日，中國(guó)工程院院士謝和平與他指導(dǎo)的深圳大學(xué)、四川大學(xué)博士團(tuán)隊(duì)，以深圳大學(xué)為第一單位在《自然》雜志上發(fā)表了研究成果。該研究首次從物理力學(xué)與電化學(xué)相結(jié)合的全新思路，建立了相變遷移驅(qū)動(dòng)的海水無(wú)淡化原位直接電解制氫全新原理與技術(shù)。該研究另辟蹊徑，徹底隔絕海水離子，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了無(wú)淡化過(guò)程、無(wú)副反應(yīng)、無(wú)額外能耗的高效海水原位直接電解制氫技術(shù)突破，即把海水當(dāng)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(guó)原創(chuàng)的“海洋綠氫”全球新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。

《自然》雜志評(píng)審專家評(píng)述該成果：“很少有論文能夠令人信服從海水中實(shí)現(xiàn)規(guī)?；€(wěn)定制氫，但該論文的工作恰恰做到了這一點(diǎn)。他們完美解決了有害腐蝕性這一長(zhǎng)期困擾海水制氫領(lǐng)域的問(wèn)題，將打開(kāi)低成本燃料生產(chǎn)的大門，有望推動(dòng)變革走向更可持續(xù)的世界！”

據(jù)介紹，綠色零碳?xì)淠苁俏磥?lái)能源發(fā)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(lái)氫能發(fā)展的重要方向。但復(fù)雜的海水成分（約92種化學(xué)元素），導(dǎo)致海水制氫面臨諸多難題與挑戰(zhàn)。先淡化后制氫是當(dāng)前較成熟的海水制氫技術(shù)路徑，目前已在全球多國(guó)開(kāi)展規(guī)?；痉豆こ添?xiàng)目。但該類技術(shù)嚴(yán)重依賴大規(guī)模淡化設(shè)備，工藝流程復(fù)雜且占用大量土地資源，進(jìn)一步增加了制氫成本與工程建設(shè)難度。

20世紀(jì)70年代初，有科學(xué)家提出，海水可否直接電解制氫呢？半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外多個(gè)知名研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)催化劑工程、膜材料科學(xué)等手段，進(jìn)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(yīng)、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(fù)雜組分對(duì)電解制氫的影響，可規(guī)模化的高效穩(wěn)定海水直接電解制氫原理與技術(shù)仍是世界空白。

謝和平院士提出了從物理力學(xué)與電化學(xué)相結(jié)合的全新思路，破解海水直接電解制氫面臨的難題與挑戰(zhàn)，從而開(kāi)創(chuàng)了海水無(wú)淡化原位直接電解制氫新原理與技術(shù)。該成果通過(guò)將分子擴(kuò)散、界面相平衡等物理力學(xué)過(guò)程，與電化學(xué)反應(yīng)巧妙結(jié)合，建立了相變遷移驅(qū)動(dòng)的海水直接電解制氫理論模型，揭示了微米級(jí)氣隙通路下界面壓力差對(duì)海水自發(fā)相變傳質(zhì)的影響機(jī)制，形成了電化學(xué)反應(yīng)協(xié)同海水遷移的動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)穩(wěn)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(lǐng)域的半世紀(jì)難題。

與此同時(shí)，謝和平院士團(tuán)隊(duì)研制了全球首套400L/h海水原位直接電解制氫技術(shù)與裝備，在深圳灣海水中連續(xù)運(yùn)行超過(guò)3200小時(shí)，從海水中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定和規(guī)?；茪溥^(guò)程。此外，該研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了酸性和堿性固態(tài)凝膠電解質(zhì)，以表明相變遷移策略適配不同電解質(zhì)材料，并有望伴隨PEM和AEM電解技術(shù)迭代發(fā)展。據(jù)悉，該原理技術(shù)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(chǎn)提供多效利用新思路。正如《自然》雜志審稿人對(duì)該研究給予的高度評(píng)價(jià)：“這項(xiàng)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(huì)和生態(tài)中可持續(xù)燃料的生產(chǎn)，我認(rèn)為這是一個(gè)重大突破！”