6月2日，謝和平院士的團(tuán)隊(duì)與東方電氣集團(tuán)合作，在福建興化灣的海上風(fēng)電場(chǎng)成功實(shí)施了全球首次海上風(fēng)電無(wú)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(diǎn)是什么？

海水制氫

水電解制氫是一項(xiàng)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(wú)疑會(huì)加劇淡水資源短缺的問(wèn)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(guò)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(shí)會(huì)引起副反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)、催化劑失活以及隔膜堵塞等問(wèn)題。

因此，利用海水來(lái)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(lái)制取氫氣，主要是通過(guò)電解或光解的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。第二種是間接使用海水來(lái)制取氫氣，需要對(duì)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(shì)

海上制氫平臺(tái)具有多重功能，可以實(shí)現(xiàn)能源的長(zhǎng)期儲(chǔ)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(lái)，在深遠(yuǎn)海區(qū)域，可以利用海上制氫平臺(tái)來(lái)解決可再生電力的消納難題。這樣一來(lái)，就能夠用可再生電力制氫、制綠氨，有望成為未來(lái)深遠(yuǎn)海可再生能源的主要應(yīng)用方式。

技術(shù)難點(diǎn)

第一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是海水中存在大量雜質(zhì)會(huì)影響陰極析氫的發(fā)生。

在電解水的過(guò)程中，H2會(huì)從陰極析出。對(duì)于陰極析氫反應(yīng)，最大的問(wèn)題是天然海水中含有各種溶解的陽(yáng)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(guò)程中，這些雜質(zhì)會(huì)引起電極堵塞，進(jìn)而對(duì)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(gè)技術(shù)難點(diǎn)是氯離子導(dǎo)致陽(yáng)極發(fā)生腐蝕，并影響陽(yáng)極析氧反應(yīng)。

在電解水的過(guò)程中，一般來(lái)說(shuō)，氧氣（O2）會(huì)從陽(yáng)極產(chǎn)生。然而，在海水中存在大量氯離子（Cl-），這會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極材料受到嚴(yán)重的腐蝕，進(jìn)而損壞電極并使電壓過(guò)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(huì)在陽(yáng)極上發(fā)生氯氧化反應(yīng)，占據(jù)催化劑的活性位點(diǎn)，進(jìn)而降低陽(yáng)極氧氣產(chǎn)生反應(yīng)的效率。

第三個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是陽(yáng)極析氧反應(yīng)和氧氯化反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。

在海水電解的過(guò)程中，陽(yáng)極會(huì)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(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)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(dòng)力學(xué)上更容易進(jìn)行。因此，通常觀察到的OER過(guò)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(yàn)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(duì)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(dòng)的海水無(wú)淡化原位直接電解制氫的全新原理與技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了一些海水制氫的示范項(xiàng)目，但這些項(xiàng)目仍然是小規(guī)模的試點(diǎn)項(xiàng)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(jiān)信，一旦這項(xiàng)技術(shù)得以最終應(yīng)用，它將對(duì)“脫碳”之路產(chǎn)生最具影響力的效果！

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