近期，謝和平院士海水制氫研究團隊在海水直接制氫領(lǐng)域取得重大原創(chuàng)突破，并在《Nature》上發(fā)表了研究論文。這意味著海水直接制氫這一個困擾學(xué)界近50年的科學(xué)難題，得到了嶄新突破。

紅星新聞記者了解到，12月16日東方電氣股份有限公司、東方電氣（福建）創(chuàng)新研究院有限公司與四川大學(xué)/深圳大學(xué)謝和平院士團隊在深圳簽署“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。這意味著該項科技成果正在加速產(chǎn)業(yè)化，并有望在新能源應(yīng)用領(lǐng)域帶來重大突破。

▲簽約儀式現(xiàn)場

海水直接制氫為何如此復(fù)雜？12月25日，紅星新聞記者采訪了謝和平院士海水制氫團隊核心成員、四川大學(xué)新能源與低碳技術(shù)研究院研究員劉濤。他告訴記者，海水包含了約92種化學(xué)元素，這樣的復(fù)雜成分暗藏著許多危險的“變化”，任何微小的“變化”都可能會對電解系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的損害。技術(shù)突破如履薄冰，研究壓力不斷累積，成為了研究人員們身上的重?fù)?dān)，謝和平院士海水制氫研究團隊已經(jīng)在這個領(lǐng)域默默耕耘10余年，劉濤說：“謝院士知道這是塊‘硬骨頭’，但他一直鼓勵我們要啃下去，因為大家深知它將具有劃時代的意義。”

海水直接制氫技術(shù)未來5年內(nèi)有望實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化落地

據(jù)了解，海水無淡化原位直接電解制氫原創(chuàng)技術(shù)的研發(fā)同東方電氣股份有限公司、東方電氣（福建）創(chuàng)新研究院有限公司與四川大學(xué)/深圳大學(xué)謝和平院士團隊四方緊密聯(lián)系，前期，東方電氣集團專項投入3000萬元作為海水無淡化原位直接電解制氫顛覆性技術(shù)研發(fā)經(jīng)費。在東方電氣股份有限公司黨組成員、副總經(jīng)理張彥軍看來，本次聯(lián)合推動海水無淡化原位制氫技術(shù)不僅符合當(dāng)前國家戰(zhàn)略，也符合企業(yè)發(fā)展所需。謝和平院士表示，協(xié)同創(chuàng)新可加快該項科技成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

四川大學(xué)/深圳大學(xué)謝和平院士團隊已在零碳能源與負(fù)碳技術(shù)研究領(lǐng)域深耕十余年，團隊集結(jié)化學(xué)工藝、材料工程、機械制造等領(lǐng)域多交叉學(xué)科科研人才。目前，團隊包含研究員、副研究員、博士后及博士研究生共18人。研究員劉濤告訴記者：“海水制氫技術(shù)研發(fā)是我們的重點研究方向?！敝x和平院士團隊正與東方電氣等三方全面合作，計劃以“三步走戰(zhàn)略”實現(xiàn)這項技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化落地。

具體而言，第一步，各方將共同推進(jìn)海上中試示范驗證，樹立可再生能源海上直接電解制氫領(lǐng)域標(biāo)桿。在12月16日，東方電氣股份有限公司、東方電氣（福建）創(chuàng)新研究院有限公司與四川大學(xué)／深圳大學(xué)謝和平院士團隊已在深圳簽署“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。隨后，研究團隊將全力攻關(guān)第二代大規(guī)模海水無淡化原位直接電解制氫核心技術(shù)，迭代發(fā)展并優(yōu)化升級。最后，通過協(xié)同合作加速推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化落地，實現(xiàn)全新的海水制氫新型工業(yè)模式。劉濤預(yù)估：“大概在未來3-5年內(nèi)，有希望實現(xiàn)與現(xiàn)有工業(yè)電解系統(tǒng)的高效匹配，實現(xiàn)海水無淡化原位直接電解制氫技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化落地?！?/p>

如何征服復(fù)雜的海水成分？謝和平院士鼓勵跳出傳統(tǒng)思維

據(jù)悉，預(yù)計到2060年，我國氫氣年需求量將達(dá)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(yán)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，復(fù)雜的海水成分成為最大的“攔路虎”。

20世紀(jì)70年代初有科學(xué)家提出了海水直接電解制氫的構(gòu)想。近半個世紀(jì)以來，國內(nèi)外研究團隊一直在進(jìn)行相關(guān)研究。然而，可規(guī)?；母咝Х€(wěn)定海水直接電解制氫原理與技術(shù)仍是世界空白。

隨時隨地討論總結(jié)、日夜不停做實驗搞分析、輪班徹夜觀察設(shè)備運行……是謝和平院士海水制氫研究團隊突破技術(shù)難題時的常見狀態(tài)。

▲謝和平院士海水制氫團隊日常的討論會

研究團隊查閱近五十年海水直接電解制氫的文獻(xiàn)，近乎99%以上都是一個方案——催化劑改性。劉濤告訴記者：“這也是我們一開始著手的方案，但我們對催化劑材料知之甚少，進(jìn)展也很緩慢。”期間，謝和平院士鼓勵大家跳出傳統(tǒng)思維模式，首次開創(chuàng)了將物理力學(xué)與電化學(xué)相結(jié)合的全新思想，提出了相變遷移驅(qū)動的海水直接電解制氫原理與技術(shù)。

2021年研究團隊驗證了將物理力學(xué)與電化學(xué)相結(jié)合的海水直接電解制氫全新思路是可行的，但進(jìn)一步研究就遇到了非常頭疼和棘手的問題，怎么實現(xiàn)體系的高效性和穩(wěn)定性？為了克服這個難題，謝和平院士那段時間每天組織大家開會討論、制定實驗方案，尋找解決問題的突破口，不分晝夜幾乎無休地尋找原因。除了身體上的疲憊，精神上的不安和焦慮更加磨人。

想要突破長達(dá)半世紀(jì)的科學(xué)難題、取得具有顛覆性意義的科研成果是滿途荊棘的，在這種緊張的節(jié)奏中，謝和平院士海水制氫團隊的所有研究人員鼓足干勁共同努力，終于在2021年6月，取得了突破性的進(jìn)展。其研究成果于2022年11月成功發(fā)表在《Nature》期刊上。

隨著技術(shù)深度挖掘和應(yīng)用拓展，后續(xù)還會遇到許多工程化難題，例如：如何在大體量下控制優(yōu)化海水遷移過程？如何與現(xiàn)有工業(yè)成熟電解系統(tǒng)匹配耦合？未來的挑戰(zhàn)還在繼續(xù)。

氫氣生產(chǎn)實現(xiàn)零污染，技術(shù)原理可用于其它非純水能源化

氫能被認(rèn)為是未來能源結(jié)構(gòu)體系的核心，其能量密度大、清潔、高效、無碳排放，是實現(xiàn)減碳最有效的能源替代產(chǎn)品之一。劉濤告訴記者，現(xiàn)在由于海上風(fēng)電等可再生能源難利用，棄風(fēng)棄電多，加上海上電力輸送成本高、損耗大，若是能利用海上可再生能源轉(zhuǎn)化為氫能，將大幅降低輸送成本，有望成為未來深遠(yuǎn)?？稍偕茉撮_發(fā)的破局關(guān)鍵。

據(jù)了解，關(guān)于氫氣氫能的應(yīng)用，當(dāng)下比較熱門的研究是氫氣可替代焦炭作為還原劑應(yīng)用于冶金行業(yè)；而氫氣的燃燒或氧化過程可以釋放能量，例如用于氫燃料電池，目前已經(jīng)有商業(yè)化的氫能源汽車、重卡、郵輪等等。隨著氫氣生產(chǎn)和氫能應(yīng)用的持續(xù)發(fā)展，相關(guān)的應(yīng)用將在人們的生活中變得更加常見。

此外，氫氣的儲運也是需要攻關(guān)的研究方向，氫氣儲存的高壓儲罐材料及類型同國際先進(jìn)水平仍有一定差距，若是氫氣儲運成本較高，這就會進(jìn)一步提高氫氣的使用成本。

現(xiàn)階段，謝和平院士海水制氫團隊研制了全球首套400L/h海水原位直接電解制氫技術(shù)與裝備，已經(jīng)在深圳灣海水中連續(xù)運行超3200小時，無污染和催化劑腐蝕，在真實海水中實現(xiàn)了原位、穩(wěn)定、規(guī)?；闹茪溥^程。

▲謝和平院士正在指導(dǎo)學(xué)生

海水無淡化原位直接電解制氫技術(shù)不僅減碳還環(huán)保。劉濤介紹到，技術(shù)裝備在使用過程中，主要是通過分解水來產(chǎn)生氫氣和氧氣，零污染制氫。同時相比于先淡化后制氫的傳統(tǒng)電解水模式，該技術(shù)省去了先淡化過程，也避免了淡化后產(chǎn)生的高濃、高溫鹽水的污染排放等問題。更具潛力的是，該項技術(shù)包含的相變遷移機制，實質(zhì)上就是從非純水中捕獲純凈水的過程，因此，它也可以用于其它的一些非常規(guī)水資源，例如河水、湖水、工業(yè)廢水等，實現(xiàn)非純水的資源化、能源化雙效利用。