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【對(duì)話/觀察者網(wǎng) 周遠(yuǎn)方 整理/袁逸泓】

12月16日，深圳大學(xué)/四川大學(xué)謝和平院士團(tuán)隊(duì)與東方電氣股份有限公司、東方電氣（福建）創(chuàng)新研究院有限公司簽署“海水無淡化原位直接電解制氫原創(chuàng)技術(shù)中試和產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用”的四方合作協(xié)議。

圖自《深圳商報(bào)》

觀察者網(wǎng)：海水直接電解制氫是困擾世界半個(gè)多世紀(jì)的難題，它主要面臨的難題是哪些？

劉泰生：從海水制氫概念提出后，全世界就在不斷探索。迄今為止50多年，效果仍然不理想。

電解海水制氫，有兩種路徑，第一是先淡化海水，再進(jìn)行制氫，這是現(xiàn)有各種技術(shù)的結(jié)合。第二是海水直接電解制氫，即把電解槽泡在海水里直接操作。近50年來，海水直接電解制氫的進(jìn)展還不足以達(dá)到走出實(shí)驗(yàn)室，更不用提商業(yè)化。目前僅僅能夠在實(shí)驗(yàn)室里持續(xù)100-200個(gè)小時(shí)。海水成分復(fù)雜，里面有多種元素、離子化合物等，在電解過程中會(huì)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)性反應(yīng)，導(dǎo)致失效。

舉例而言，在陰極，氫離子變成氫氣，同時(shí)，鈣離子、鎂離子也會(huì)發(fā)生反應(yīng)，生成氫氧化鈣、氫氧化鎂，產(chǎn)生固體物質(zhì)。一旦累積，就會(huì)沉積在催化劑或電極表面堵塞導(dǎo)致失活，從而使整體效率下降，無法進(jìn)行電解。這是在陰極上可能發(fā)生的問題。在生成氧氣的陽極，由于存在氯離子，在生成氧氣的同時(shí)會(huì)生成氯氣，這是競(jìng)爭(zhēng)性副反應(yīng)。氯氣生成后溶解在水里會(huì)生成次氯酸，造成腐蝕。這些問題也導(dǎo)致了一系列后續(xù)問題的發(fā)生。

這是最典型的發(fā)生在海水直接制氫領(lǐng)域的問題，在陰極和陽極上會(huì)發(fā)生沉積、腐蝕、堵塞、失活等各種問題。根本原因是，由于海水成分復(fù)雜，可能同時(shí)存在多種競(jìng)爭(zhēng)性副反應(yīng)，引發(fā)不可預(yù)料的結(jié)果，目前還沒有完美的解決方案，因此傳統(tǒng)的海水直接電解制氫領(lǐng)域進(jìn)展一直不明朗。

觀察者網(wǎng)：為什么純水淡化這條路線也不經(jīng)濟(jì)呢？

劉泰生：海水通過設(shè)備進(jìn)行淡化，存在兩方面問題。第一，設(shè)備成本高；第二，設(shè)備占地大。過去，膜技術(shù)沒有突破時(shí)，只能通過熱法進(jìn)行淡化，不但成本高，而且需要熱源，很麻煩。即使后來膜法被發(fā)明，電費(fèi)與反滲透膜的成本也較高。此外，海水通過膜法淡化后，還面臨著濃縮廢水處理問題，也需要額外設(shè)備與成本。尤其是在某些特殊應(yīng)用場(chǎng)景，不具備相應(yīng)空間條件。同時(shí)，整體系統(tǒng)檢修和維護(hù)工作量也較大?？偠灾?，海水淡化至純水再電解，成本較高，占地較大。因此，雖然這條路理論上行得通，但從經(jīng)濟(jì)性上有一定挑戰(zhàn)，國內(nèi)外也少有人嘗試。

觀察者網(wǎng)：請(qǐng)您談一下這次物理力學(xué)過程和電化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的直接海水制氫原理。

劉泰生：如果大家對(duì)這個(gè)原理感興趣，可以直接去看《自然（nature）》上的這篇論文，其實(shí)已經(jīng)講得很清楚了。我可以再簡(jiǎn)化一下，便于大家理解，可能跟與論文的內(nèi)容不一定完全對(duì)應(yīng)。

海水無淡化電解制氫的原理是什么？

電解水制氫領(lǐng)域，市場(chǎng)占有率最高且成熟度最高的主流技術(shù)是堿性電解水制氫，占據(jù)電解水制氫領(lǐng)域99％以上市場(chǎng)份額，是最主流、經(jīng)濟(jì)性最好、單位功率最高的技術(shù)。其電解液是30%濃度的氫氧化鉀溶液，而海水是3%鹽濃度的溶液。氫氧化鉀溶液中水的摩爾濃度明顯低于海水中水的摩爾濃度。按照傳質(zhì)的基本原理，由于濃度差，海水中的水會(huì)自然向堿性電解液流動(dòng)，這是一個(gè)自驅(qū)動(dòng)的過程。

這時(shí)，如果設(shè)置一個(gè)膜，只讓水分子通過，不讓其它離子通過，就實(shí)現(xiàn)了向堿性電解液補(bǔ)水的效果。堿性電解液中的水分子在電解過程中不斷被消耗，而海水中的水分子利用膜的選擇性滲透作用，不斷補(bǔ)充到堿性電解液里面，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，源源不斷地對(duì)海水中的水進(jìn)行電解。這項(xiàng)技術(shù)適用于最普通、最經(jīng)濟(jì)的堿性電解液，通過海水和堿性電解液中水的摩爾濃度差進(jìn)行自驅(qū)動(dòng)，不需要任何外來電力就可以實(shí)現(xiàn)，這就是其原理與優(yōu)勢(shì)所在，與傳統(tǒng)利用反滲透膜進(jìn)行海水淡化的原理不一樣。

海水無淡化原位直接電解制氫原理的部分圖解，圖自謝和平院士團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上表的論文《A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation》

觀察者網(wǎng)：既然這個(gè)原理一直成立，為什么之前沒有走這條路？這次的突破在哪里？

劉泰生：雖然原理看似通俗易懂。但過去我們一直拘泥于傳統(tǒng)路線，仍然按照傳統(tǒng)海水直接電解的思路，強(qiáng)調(diào)如何調(diào)整催化劑、改進(jìn)電極、調(diào)整電解液等。

謝和平院士團(tuán)隊(duì)走上這條路是多學(xué)科交叉、跨界研究的成果。謝院士從事多種跨界研究，將補(bǔ)水原理運(yùn)用于海水制氫的想法，是在另一案例中探討失敗原因時(shí)獲得的靈感。他山之石，可以攻玉。這是突破傳統(tǒng)思維的新路徑，彰顯了多學(xué)科綜合和學(xué)科交叉對(duì)創(chuàng)新的促進(jìn)推動(dòng)作用。