氢能是全球公认的清洁能源，也是实现“碳中和”目标的重要途径，未来绿氢有望成为氢能产业的主导力量。

然而，获得1公斤绿氢至少需要消耗9公斤水，在传统电解水的技术路线中，巨量的淡水资源消耗是限制氢能发展的关键瓶颈之一。

陆地水资源有限，科学家们便把目光投向了海洋......

漫画：冯大美

10月15日，中国工程院院士、深圳大学教授谢和平团队以深圳大学和四川大学共建的深地工程智能建造与安全运维全国重点实验室为第一单位，在Nature子刊上发表海水制氢最新成果。

不同于2022年11月谢和平院士团队《自然》正刊上提出的相变迁移海水直接电解制氢颠覆性原理技术，该研究是谢和平院士团队围绕海水中的氯离子引发副反应和电极腐蚀现象，提出的另一种新的解耦式海水直接电解制氢策略。

论文系统研究了铁氰酸根/亚铁氰酸根电对([Fe(CN)6]3−/4−)在真实海水体系下可逆氧化还原特性，探明了电解系统阴极析氢反应与阳极亚铁氰酸根氧化反应的高效性，厘清了解耦体系下氧气自发稳定产出的反应机理，实现了全新系统在真实海水环境下250小时的长时间稳定。该项原理技术巧妙规避了海水中氯离子对电解制氢反应的干扰，充分验证了解耦式海水直接电解制氢系统在复杂海水环境下的抗腐蚀性与对氯离子副反应的应用潜力，将有助于丰富和进一步构建破解海水复杂成分影响的海水电解制氢理论体系和技术框架。

解耦式海水直接电解制氢策略

该研究针对海水制氢中最棘手的氯离子干扰难题，引入氧化还原介导的解耦策略，利用兼具热力学和动力学优势的阳极反应，巧妙规避了传统电解水制氢过程中析氧反应与氯离子反应的直接竞争，大幅降低了电化学腐蚀。在该研究中，[Fe(CN)6]3−/4−电对在海水中不仅保持了优异的可逆氧化还原动力学特性，而且在200 mA cm−2的接近工业级电流密度下实现了超过250小时的长时间稳定运行。

Fe(CN)6]3−/4−电对在海水中的氧化还原性能

解耦式海水直接电解制氢系统及电解制氢效果

院士答疑

Q1：海水直接电解制氢的难点是什么？

谢和平：主要难点在于海水成分非常复杂。海洋是地球上最大的连续矿体，几乎拥有自然界所有元素。这些元素可能影响电解水制氢反应的正常进行。

比如，氯离子引发的析氯反应有可能和本来该发生的析氧反应竞争而导致催化剂腐蚀毒化；钙、镁等离子容易在电解反应过程中形成沉淀物，像“血栓”一样堵塞在制氢系统内部各个关键位置上，导致电解系统失效。

同时，不同时段、不同地理位置、不同深度的海水包含的离子、杂质、微生物等成分差异非常大，海水成分差异和波动使催化剂和电解槽对海水水质的兼容性也提出了非常大的挑战。

我们团队在攻关研发过程中形成了三大原理技术：一是海水无能耗传质原理技术，二是电解质自激发驱动的连续制氢原理技术，三是电解界面稳态自调节原理技术。最终，我们自主攻关形成了全球首套400升/小时的制氢设备原理样机，整体吊装在海水里实现了3200小时的稳定制氢。

Q2：上述技术的产业化情况如何？

谢和平：论文在《自然》发表后，我们团队联合东方电气进行产学研合作，双方签署了合作协议，并组建联盟共同推进海水直接电解制氢技术的海试、工程示范和产业化。我们联合设计了海水直接制氢的漂浮式平台，并联了三套原理样机。2023年6月，经中国工程院专家组现场考察后确认，双方开展的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，验证了在海上直接和绿电对接做电解制氢的可行性，同时也验证了在不可控波动环境下、抗海洋风浪的可行性。

全球首个海上风电海水无淡化原位直接电解制氢海试成功。（学校供图）

Q3：未来如何进一步推动海水直接电解制氢发展？

谢和平：从技术发展角度，我们提出了原理技术的迭代升级，加快步伐攻关第二代更高效、更高兼容性、更高稳定性的分体式海水直接电解制氢核心技术及装备，保持海水直接制氢技术的全球领先优势。应用方面，下一步，我们要打造100标准立方米/小时氢气规模“制—储—用”全链工程示范，打造全新的海水无淡化原位直接制氢产业赛道。

未来，我们希望将团队原创性技术直接对接海上风电等可再生能源，实现无海水淡化过程、无额外催化剂工程、无海水泵送输运过程、无海水污染处理过程以及无海水淡化预处理设备平台的无需额外能耗海水原位直接电解制氢。这意味着，当海上风电上网电价为0.2元/千瓦时至0.3元/千瓦时，绿氢生产成本则约15.89元/公斤至21.49元/公斤，相比煤制灰氢9元/公斤至12元/公斤，以及天然气制蓝氢20元/公斤至24元/公斤，极具降本空间。同时，随着未来海上风电技术的进一步发展和上网电价下降至0.1元/千瓦时左右及以下时，海水直接制氢成本有望低于煤制灰氢成本。

科普一下

氢气也分“颜色”？

氢气的“颜色”并不是真实存在的颜色，而是根据生产来源不同将其形象划分成“绿氢”“蓝氢”和“灰氢”。

“绿氢”是指采用风能、水能、太阳能等可再生能源制备得到的氢气，制备过程中完全没有二氧化碳的排放；

“蓝氢”指利用煤炭、石油、天然气这类化石燃料制备得到的氢气，但同时配合以碳捕捉、碳封存技术来降低碳排放强度；

“灰氢”则是通过化石燃料制备的氢气，碳排放量大但制备成本低。

图源：中国石油和化学工业联合会氢能产业专业委员会

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“氢”舟已过万重山

深圳氢能产业迈入快速发展新阶段

深圳颁发首张加氢站气瓶充装许可证，实现零的突破；深交所发布深证氢能指数，总市值超过7000亿备受关注……近段时间，深圳氢能产业喜讯频传，产业迈入快速发展新阶段。

依靠良好的产业发展基础，从2017年全市不足20家，发展到2024年近200家产业相关企业、科研院所及创新平台，深圳氢能产业逐步形成以领军企业牵头、产学研深度合作、上下游协同的全国领先的产业发展态势。目前，深圳产业链企业在氢气制、储、运、加、用各个环节不断创新突破，研发实力雄厚，技术发展、示范应用开拓及市场占有率处于国内领先地位。

（综合来源：深圳特区报、深圳商报·读创客户端、中国能源报、中国科学院大连物化所）