6月2日，謝和平院士的團(tuán)隊與東方電氣集團(tuán)合作，在福建興化灣的海上風(fēng)電場成功實施了全球首次海上風(fēng)電無淡化海水原位直接電解制氫技術(shù)的中試。

為什么海水直接電解制氫的中試成功備受關(guān)注？這有神難度嗎？海水電解制氫所面臨的技術(shù)難點是什么？

海水制氫

水電解制氫是一項非常重要的綠氫制備技術(shù)，目前大多數(shù)已商業(yè)化的水電解技術(shù)都是使用淡水作為電解液。但是，全球的淡水資源非常有限，隨著水電解制氫技術(shù)的廣泛應(yīng)用，這無疑會加劇淡水資源短缺的問題。相比之下，海水資源是十分豐富的，因此產(chǎn)生了利用海水制氫的想法。

地球上96.5%的水是海水，與淡水不同，其成分異常復(fù)雜，包括超過90種化學(xué)物質(zhì)和元素。海水中含有豐富的離子、微生物和顆粒等物質(zhì)，制取氫氣時會引起副反應(yīng)競爭、催化劑失活以及隔膜堵塞等問題。

因此，利用海水來制取氫氣的技術(shù)有兩種不同的方法。第一種是直接使用海水來制取氫氣，主要是通過電解或光解的方式來實現(xiàn)。第二種是間接使用海水來制取氫氣，需要對海水進(jìn)行除鹽和除雜處理，將海水變成高純度的淡水，然后再進(jìn)行制氫。

兩大優(yōu)勢

海上制氫平臺具有多重功能，可以實現(xiàn)能源的長期儲存和精細(xì)化學(xué)品的生產(chǎn)。它能夠?qū)⒕G色能源與化工生產(chǎn)系統(tǒng)緊密結(jié)合，發(fā)揮出最大的效益。

未來，在深遠(yuǎn)海區(qū)域，可以利用海上制氫平臺來解決可再生電力的消納難題。這樣一來，就能夠用可再生電力制氫、制綠氨，有望成為未來深遠(yuǎn)?？稍偕茉吹闹饕獞?yīng)用方式。

技術(shù)難點

第一個技術(shù)難點是海水中存在大量雜質(zhì)會影響陰極析氫的發(fā)生。

在電解水的過程中，H2會從陰極析出。對于陰極析氫反應(yīng)，最大的問題是天然海水中含有各種溶解的陽離子，如Na+、Mg2+、Ca2+等，此外還有多種細(xì)菌、微生物和微小顆粒等。

海水電解過程中，這些雜質(zhì)會引起電極堵塞，進(jìn)而對電解系統(tǒng)中的電極和催化劑造成毒害或加速老化，導(dǎo)致它們的耐久性變差。

第二個技術(shù)難點是氯離子導(dǎo)致陽極發(fā)生腐蝕，并影響陽極析氧反應(yīng)。

在電解水的過程中，一般來說，氧氣（O2）會從陽極產(chǎn)生。然而，在海水中存在大量氯離子（Cl-），這會導(dǎo)致陽極材料受到嚴(yán)重的腐蝕，進(jìn)而損壞電極并使電壓過高，從而中斷高效的氧氣產(chǎn)生反應(yīng)。此外，高濃度的氯離子還會在陽極上發(fā)生氯氧化反應(yīng)，占據(jù)催化劑的活性位點，進(jìn)而降低陽極氧氣產(chǎn)生反應(yīng)的效率。

第三個技術(shù)難點是陽極析氧反應(yīng)和氧氯化反應(yīng)的競爭問題。

在海水電解的過程中，陽極會發(fā)生兩種反應(yīng)，分別是析氧反應(yīng)(OER)和氧氯化反應(yīng)(ClOR)。

析氧反應(yīng)：4OH-→O2+H2O+4e-；E0=1.23V (vs. RHE)。

氯氧化反應(yīng)：Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e-；E0=1.71V (vs. RHE)。

可以看到，這兩者的E0非常相近，因此它們之間會產(chǎn)生競爭關(guān)系，從而嚴(yán)重限制了電解槽工作的電壓。此外，氧氯化反應(yīng)和次氯酸鹽形成均為二電子反應(yīng)，與析氧反應(yīng)需要的四電子相比，氯氧化反應(yīng)在動力學(xué)上更容易進(jìn)行。因此，通常觀察到的OER過電位比ClOR高。

研究現(xiàn)狀

目前，光解海水制氫仍處于早期研究和試驗階段，面臨著諸多挑戰(zhàn)。相比之下，海水電解制氫的研發(fā)已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。在2022年，謝和平院士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊在海水直接制氫領(lǐng)域取得了重大的原創(chuàng)突破，他們創(chuàng)新地提出了相變遷移驅(qū)動的海水無淡化原位直接電解制氫的全新原理與技術(shù)。目前國內(nèi)外出現(xiàn)了一些海水制氫的示范項目，但這些項目仍然是小規(guī)模的試點項目，并且大多數(shù)還處于在建或擬建的階段。

盡管海水電解制氫從小試、中試到最終工業(yè)上的廣泛應(yīng)用還有許多挑戰(zhàn)需要克服，但我們堅信，一旦這項技術(shù)得以最終應(yīng)用，它將對“脫碳”之路產(chǎn)生最具影響力的效果！

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