該研究首次從物理力學與電化學相結(jié)合的全新思路，建立了相變遷移驅(qū)動的海水無淡化原位直接電解制氫全新原理與技術(shù)，另辟蹊徑，徹底隔絕海水離子同時實現(xiàn)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(shù)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(chuàng)的“海洋綠氫”全球新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。

相變遷移驅(qū)動的海水無淡化原位直接電解制氫原理

正如《Nature》評審專家所評述：“很少有論文能夠令人信服地從海水中實現(xiàn)規(guī)模化穩(wěn)定制氫，但該論文的工作恰恰做到了這一點。他們完美的解決了有害腐蝕性這一長期困擾海水制氫領(lǐng)域的問題，將打開低成本燃料生產(chǎn)的大門，有望推動變革走向更可持續(xù)的世界。”

海水無淡化原位直接電解制氫規(guī)模化技術(shù)裝備及穩(wěn)定性

綠色零碳氫能是未來能源發(fā)展的重要方向，隨著氫能爆發(fā)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(shù)的發(fā)展。海洋是地球上最大的氫礦，向大海要水是未來氫能發(fā)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(zhàn)。先淡化后制氫是當前最成熟的海水制氫技術(shù)路徑，目前已在全球多國開展規(guī)模化示范工程項目。但該類技術(shù)嚴重依賴大規(guī)模淡化設(shè)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(shè)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？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(nèi)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，迄今為止，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(guī)模化的高效穩(wěn)定海水直接電解制氫原理與技術(shù)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(jié)合的全新思路破解海水直接電解制氫面臨的難題與挑戰(zhàn)，從而創(chuàng)造性地開創(chuàng)了海水無淡化原位直接電解制氫新原理與技術(shù)。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(jié)合，建立了相變遷移驅(qū)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(fā)相變傳質(zhì)的影響機制，形成了電化學反應協(xié)同海水遷移的動態(tài)自調(diào)節(jié)穩(wěn)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(lǐng)域的半世紀難題（已申請專利：CN2021110197054；CN114481164A；CN2022110704439；CN2022110748884；PCT/CN2022/128225）。

與此同時，研制了全球首套400L/h海水原位直接電解制氫技術(shù)與裝備，在深圳灣海水中連續(xù)運行超3200小時，令人信服的從海水中實現(xiàn)了穩(wěn)定和規(guī)模化制氫過程！此外，進一步開發(fā)了酸性和堿性固態(tài)凝膠電解質(zhì)，以表明相變遷移策略適配不同電解質(zhì)材料并有望伴隨PEM和AEM電解技術(shù)迭代發(fā)展。同時，該原理技術(shù)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(chǎn)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(tài)中可持續(xù)燃料的生產(chǎn)，我認為這是一個重大突破。”

“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(fā)的原創(chuàng)性原理與技術(shù)突破，開辟了全球海水制氫的全新路徑；該技術(shù)可集“海上風電等可再生能源利用-海水資源利用-氫能生產(chǎn)”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(zhuǎn)化為“海水能源”。該技術(shù)未來可構(gòu)建與海上可再生能源相結(jié)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(guī)模開發(fā)的破局關(guān)鍵，加速推進形成多能互補的中國原創(chuàng)“海洋綠氫”全球新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05379-5