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