2022年11月30日，謝和平院士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Nature上發表了題為"A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation"的研究成果。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，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），破解了海水直接電解制氫半世紀難題，可望形成中國原創的“海洋綠氫”全球新興戰略產業。
Nature評審專家評述該成果：“很少有論文能夠令人信服地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。他們完美地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！”
相變遷移驅動的海水無淡化原位直接電解制氫原理
綠色零碳氫能是未來能源發展的重要方向。隨著氫能爆發式增長，預計到2060年，我國氫氣年需求量將達1.3億噸，屆時每年需要消耗約11.7億噸電解用純水。然而，淡水資源緊缺將嚴重制約“綠氫”技術的發展。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最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，進一步推高了制氫成本與工程建設難度。上世紀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，美國斯坦福大學、法國國家科學研究中心、澳大利亞阿德萊德大學、中國科學院等國內外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，從而創造性地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（已申請專利：CN2021110197054；CN114481164A；CN2022110704439；CN2022110748884；PCT/CN2022/128225）。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3200小時，令人信服的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多元化水資源（如河水、廢水、鹽湖等）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《Nature》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！”
海水無淡化原位直接電解制氫規模化技術裝備及穩定性
“海水無淡化原位直接電解制氫”融匯多學科理論，是我國自主研發的原創性原理與技術突破，開辟了全球海水制氫的全新路徑；該技術可集“海上風電等可再生能源利用-海水資源利用-氫能生產”為一體，可望形成無淡化、無額外催化劑工程、無海水輸運、無污染處理的原位海水直接電解制氫全新模式，真正意義上將取之不盡的“海水資源”轉化為“海水能源”。該技術未來可構建與海上可再生能源相結合的一體化原位海水制氫工廠，有望成為深遠海可再生電力大規模開發的破局關鍵，加速推進形成多能互補的中國原創“海洋綠氫”全球新興戰略產業。
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ShenZhen University
編輯 | 龐茗琪
責編 | 廖楷狄
審校 | 婁卓男 李世卓 王若琳
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原文始發于微信公眾號（深圳大學）：深大第一單位在Nature發表成果，破解了海水直接電解制氫半世紀難題！
