华科直接电解海水制氢领域最新成果发布；海水制氢连获重大突破，国内产业化在即？

文章来源：全球氢能、华中科技大学新闻网，封面图源视觉中国

绿氢作为最具可持续性且真正无碳的氢能生产路线，正成为全球氢能发展的焦点。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，结合海上风光发电技术，通过取之不尽的海水资源直接制氢，将为绿氢产业的发展提供全新路径。

按照是否需要提前对海水进行淡化处理，海水制氢分为直接电解制氢和间接电解制氢两类路线。相比于间接制氢，海水直接制氢路线简化了工艺流程，因此更容易实现降本目标。近年来，海内外高校的科研团队先后在海水电解制氢方面实现突破，海水制氢技术快速发展。

7月4日，《自然·通讯》（Nature Communications）在线刊发华中科技大学材料学院李箐教授、王谭源副教授团队的研究成果：一种钠离子导通的不对称电解槽用于降低直接电解海水制氢工作电压“A sodium-ion-conducted asymmetric electrolyzer to lower the operation voltage for direct seawater electrolysis”。华中科技大学材料学院2020级硕士生石灏为论文第一作者，李箐教授和王谭源副教授为论文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金优秀青年基金、国家重点研发计划等项目的支持。

清洁制氢是实现双碳目标的有效途径，直接海水电解制氢可以充分利用海水资源以及海边富余的风能、太阳能。但是其面临许多挑战，包括高能耗、Cl-引起的腐蚀以及Ca²⁺/Mg²⁺沉淀物对活性位点的堵塞。因此，迫切需要开发一种具有高效稳定催化剂的电解海水体系，来抑制Cl^-腐蚀并实现低电压下的直接海水电解制氢。

团队设计了一种Na⁺交换膜分隔的pH不对称电解槽，Na+交换膜可以阻止天然海水中的Cl^-向阳极运输，从而避免了竞争性的Cl^-氧化。在接近中性的海水（pH<9.5）和流动电解质中，Ca²⁺和Mg²⁺沉淀物的问题将得到缓解。此外，在这个体系中阴阳极不对称pH值电解质之间的化学势差可以用来降低直接电解海水所需的整体电压。

图1.不对称电解槽原理示意图

基于调整催化反应路径，促进氢脱附的思路，该团队设计了无定形NiFeP负载的单原子Pt催化剂来提升其在海水氢析出反应的性能。将该催化剂应用于不对称电解槽中，电解海水制氢的能源成本大幅降低。该不对称电解器在电流密度100 mA·cm^-2时电压仅为1.46 V，是目前性能最好的直接海水电解装置之一。此外，在400 mA·cm^-2，80°C的工条件下，电压仅为1.66 V，生产每立方米H₂对应的电能为3.96 kW·h，低于我国科技部4.30 kW·h·Nm^-3的指标。其对应电力成本为每公斤H₂1.36美元，也低于美国能源部（DOE）2025年每公斤H₂1.4美元的目标。

图2. PtSA-NiFeP及不对称电解槽的性能图

该报道通过原位拉曼光谱表明，水分子是PtSA-NiFeP催化剂表面第一步应物，PtSA-NiFeP促进了水分子在催化剂表面解离，随后产生的吸附氢在单原子Pt表面加速脱氢，从而促进了氢析出活性。密度泛函理论表明，PtSA-NiFeP具有最低的水解离（决速步）能垒（0.46 eV）这表明PtSA-NiFeP可以促进水的解离，这与原位拉曼光谱的结果一致。此外， 其H*脱附自由能（0.10 eV）更接近于零，表明H*的解吸更快。较低的水解离能垒和较快的H*脱附是PtSA-NiFeP具有优异氢析出活性的原因，这也验证了该催化剂的设计思路。

图3.原位拉曼光谱以及密度泛函理论计算

该团队研究成果将宏观电解体系设计及微观催化路径调控相结合，为低能源成本直接海水电解制氢提供了高效的电解槽结构和催化剂设计方案。

海水制氢：2023突破连连，国内产业化在即

绿氢是未来能源发展的重要方向，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，海水制氢是未来氢能发展的重要方向。

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。然而海水间接制氢严重依赖大规模淡化设备，工艺流程复杂且占用土地资源，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直接电解制氢的构想，近半个世纪以来，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。

今年3月17日，科技部高技术研究发展中心（基础研究管理中心）发布2022年度中国科学十大进展，其中就包含深圳大学/四川大学谢和平团队的科研成果——全新原理实现海水直接电解制氢。

近年来，我国在海水制氢方面不断取得突破。

2022年11月30日，中国工程院院士谢和平及深圳大学、四川大学博士生团队在《自然》发表论文，以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。该技术彻底隔绝了海水离子，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，即可在海水里原位直接电解制氢。[相关阅读：突破性开创海水原位直接电解制氢全新路径！谢和平院士团队破解半世纪难题]

随后，2022年12月16日，东方电气股份有限公司、东方电气（福建）创新研究院有限公司与深圳大学、四川大学谢和平院士团队，共同签署了“海水无淡化原位直接电解制氢原创技术中试和产业化推广应用”四方合作协议。[相关阅读：院士领衔！专项投入3000万元！东方电气进军海水直接制氢]

2023年1月28日，大连市普兰店区海水制氢产业一体化示范项目正式开工。该项目计划于2023年10月1日正式建成投产，形成年发电量1.37亿千瓦时和年产2000吨的新能源绿氢产能，并在未来三年计划累计投资约30亿元，逐步形成500兆瓦新能源发电、10000吨绿氢的产业规模。海水制氢产业一体化示范项目将充分利用普兰店区滩涂光伏资源优势及大连市技术研发、储能设备、制氢设备、加氢设备、氢燃料电池、整车、氢能消纳等可实现完整产业链本地化的优势，打造国内首例，集滩涂光伏、储能、海水淡化、电解制氢为一体，尝试风光耦合及大规模不受上网指标限制的孤网运行模式的氢能源产业一体化示范项目。[相关阅读：绿氢产能2000吨/年！国内首例孤网运行海水制氢产业一体化示范项目开工]

1月30日，天津大学凌涛教授与澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授团队合作在Nature Energy期刊上发表了海水制氢研究成果。该成果通过在常见的催化剂表面引入硬路易斯酸材料，在催化剂表面构建了局部碱性的反应微环境，在不经过净化、脱盐处理和不添加强碱的条件下，在近中性的天然海水中实现了高效稳定的电解制氢。

4月29日，明阳阳江青洲四海上风电场项目（首台风机正式吊装完成，此举标志着国内近海深水区离岸最远项目正式进入风机安装阶段。作为国内首个“海上风电+海洋牧场+海水制氢”融合项目，青洲四项目规划装机容量500MW，拟布置包括11MW、12MW和16.6MW漂浮式风机在内的40余台明阳智能海上大型风电机组。同时，青洲四项目将借助“导管架+网箱”风渔融合一体化装备和海水制氢设备的部署，建成全国首个“海上风电+海洋牧场+海水制氢”融合项目。[相关阅读：新进展！国内首个“海上风电+海洋牧场+海水制氢”融合项目风机首吊成功]

6月，中国科学院宁波材料所发布消息称，该研究所在海水电解制氢大尺寸、高稳定阴极技术方面取得进展，为解决海水电解制氢过程中面向工业规模化放大的高性能阴极合成提供了新的合成方法。研究所对合成阴极的性能和成本的评估显示，该电极具备在工业规模下可持续制氢的潜力。

6月，全球首次海上风电无淡化海水原位直接电解制氢技术海上中试在福建兴化湾海上风电场获得成功。海水无淡化原位直接电解制氢技术在原理上跳出了传统化学的范畴，通过蒸汽压差的物理力学驱动，来全部隔开海水中的90多种复杂元素及微生物对电解水制氢的影响，打破世界上原本需要依靠纯水制氢的传统模式。[相关阅读：全球首次海上风电无淡化海水原位直接电解制氢海试成功]

海水制氢产业辐射能力强、带动面广，在技术、装备上都走在能源产业前沿，在引领新一轮的绿色能源变革的同时，还将横向联动、纵向拉动海水淡化、海上清洁能源、海上氢能新基建等产业发展，开拓新需求、新空间。比如，按照电解1吨水会获得111千克氢气反算，对海水淡化需求可达225.23万吨。根据海水淡化成本5元每吨来计算，到2025年海水制氢将拉动海水淡化工程约1126.13万元的产值。

国际能源署预测到2050年全球氢年需求量约近3亿吨，到2070年达到5.2亿吨。在氢能需求侧庞大规模的拉动下，加之技术和产业化层面的不断突破，海水制氢产业即将爆发。

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