為什么海水直接電解制氫中試成功，這么備受關注？這有什么難度嗎？海水電解制氫需要克服的技術難點又是什么？

 

 

 

水電解制氫，被認為是非常重要的綠氫制備技術，目前已商業化的水電解技術均以淡水為電解液。眾所周知，全球淡水資源極其有限，隨著水電解制氫規模化應用，這無疑加劇了淡水資源短缺問題。與之相比，海水資源豐富，由此便有了“海水制氫”的想法。

 

海水占地球全部水量的96.5%，與淡水不同，其成分非常復雜，涉及的化學物質及元素有90多種。海水中所含有的大量離子、微生物和顆粒等，會導致制取氫氣時產生副反應競爭、催化劑失活、隔膜堵塞等問題。

 

為此，以海水為原料的制氫技術形成了兩種不同的路線。其一，海水直接制氫，即是基于天然海水，主要通過電解或光解方式制取。其二， 海水間接制氫，則是對海水進行脫鹽、除雜處理，將海水先淡化形成高純度淡水，再進行制氫。

 

 

海上制氫平臺可作為能源的長期儲存或精細化學品的生產場所，能讓綠色能源與化工生產系統緊密結合。

 

海上制氫平臺可以解決深遠海可再生電力消納問題，利用可再生電力就地制氫、制綠氨，或許會成為未來深遠海可再生能源的主要應用方式。

 

技術難點一：海水中的眾多雜質影響陰極析氫的發生

 

在電解水過程中，H2從陰極析出，對于陰極析氫反應，最具挑戰性的問題就是，天然海水中存在著各種溶解的陽離子，如Na+、Mg2+、Ca2+等，除此之外，還有多種細菌、微生物和微小顆粒等。

 

這些雜質會隨海水電解過程的進行，堵塞電極，進而毒害或加速電解系統中電極/催化劑的老化，導致其耐久性變差。

 

技術難點二：氯離子造成陽極腐蝕，并影響陽極析氧反應

 

在電解水過程中，通常情況下，O2從陽極析出。但是，海水中存在的大量氯離子（Cl-）會造成陽極材料的嚴重腐蝕，進而導致電極損壞、電壓過高，從而終止高效的析氧反應；另外，高濃度的氯離子，還會在陽極發生氯氧化反應，占據催化劑的活性位點，從而降低陽極析氧反應的效率。

 

技術難點三：陽極析氧反應和氧氯化反應之間的競爭

 

在海水電解過程中，陽極會發生兩種反應，即：析氧反應（OER）和氧氯化反應（ClOR）。析氧反應：4OH-→O2+H2O+4e-；E0=1.23V （vs. RHE）

 

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

 

可見，二者的E0相近，會產生競爭關系，這極大地限制了電解槽的工作電壓。此外，ClOR反應和次氯酸鹽的形成均為二電子反應，與OER四電子反應相比，ClOR反應在動力學上更容易進行，因而，通常觀察到的OER過電位比ClOR高。

 

研究現狀

 

目前，光解海水制氫還處于早期研究和試驗階段，仍面臨諸多挑戰，而海水電解制氫研發已取得了一定的進展。2022年，謝和平院士團隊在海水直接制氫領域取得重大原創突破，創新性地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。國內外出現不少海水制氫示范項目，但仍是小規模試點，且大多處于在建或擬建階段。

 

雖然海水電解制氫從小試、中試到最終工業上廣泛應用，還有很長的路要走。但是我們相信，在氫能這個萬億級賽道，如果這項技術最終得以應用，將會在“脫碳”道路上留下最濃墨重彩的一筆！