向大海取水制氫需要怎樣的黑科技？丨天工開問㊸
封面新聞2024-01-22 17:15
封面新聞記者 馬曉玉
氫氣是當下最具發展潛力的清潔能源之一，國際能源署預估到2050年全球制氫系統消耗淡水將達到121億立方米。當然，有限的淡水資源不可能任由我們肆無忌憚地揮霍。于是，科學家們將目光投向了地球上最大的氫礦——海洋。
向大海取水是未來氫能發展的重要方向，但海水復雜組分引起的毒性和腐蝕性等問題，讓海水直接電解制氫近半個世紀以來一直停留在實驗室階段。
如何才能實現長期穩定制氫，將“海水資源”轉化為“海水能源”？日前，在第三屆天府科技云服務大會上，四川大學新能源低碳技術研究院研究員、謝和平院士海水制氫團隊成員劉濤向封面新聞記者講述海水無淡化原位直接電解制氫技術從靈感萌芽到落地的故事。
從無到有
樣機可在海水中穩定制氫超3200小時
可再生能源海水無淡化原位直接電解制氫平臺
自20世紀70年代初有科學家提出了海水直接電解制氫的構想以來，美國斯坦福大學、法國國家科學研究中心、中國科學院等國內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、鈣鎂沉淀等難題。海水制氫領域百花齊放，各大團隊都取得了顯著的成績。
海水無淡化直接電解制氫到底有何魅力，讓眾多國內外科學家前仆后繼？既然如此費力，又為何不將海水淡化后再制氫？劉濤表示，“其實，先淡化后制氫的間接電解制氫模式早已成為當前最成熟的海水制氫技術路徑，但該類技術依賴淡化設備，工藝流程較為復雜，需要額外的淡化能耗，這會推高制氫成本并帶來一定的工程建設難度。”因此，不需要通過淡化過程、又不需要額外能耗的海水直接電解制氫仍然是首要選擇。
謝和平院士正指導團隊工作
為了破解有害腐蝕性這一困擾海水電解制氫領域半世紀的難題，謝和平院士領導的團隊另辟蹊徑，開創了將分子擴散、界面相平衡等大自然的物理力學過程與電化學反應巧妙結合的新路徑，形成了界面壓力差海水自發相變傳質的力學驅動機制，實現了無額外能耗的電化學反應協同海水遷移的動態自調節穩定海水直接電解制氫。
此外，團隊自主研制的每小時產氫400升的電解原理樣機在深圳灣海水中穩定制氫超3200小時，徹底隔絕海水離子的同時實現了無淡化過程、無副反應、無額外能耗的規模化高效海水原位直接電解制氫技術突破。相關成果于2022年11月30日發表在Nature上，入選“2022年度中國科學十大進展”（科技部高技術中心評選）。
源自偶然
一場巧合勾勒出《Nature》文章雛形
海水無淡化原位直接制氫原理
“海水直接電解制氫原理的建立源于謝院士一次偶然的發現。”
劉濤回憶道，“其實我們剛開始解決海水制氫難題的時候，也是采用催化劑改性的方法，但是謝和平院士說，‘別的團隊做了幾十年都沒有通過催化劑工程解決海水制氫的問題，我們一點催化劑基礎都沒有，要想超越根本不可能。如果不打破常規，跳出現有傳統的思維模式，從原理上徹底創新，不可能解決海水直接制氫的問題。’”
彼時正值謝和平院士在川大主持召開取芯探礦領域的國家重大科研儀器研制項目進展討論會，當中一項重點攻關內容就是在鉆取巖心的同時在其表面原位生成一張高分子薄膜包覆巖心，從地球深部取出“活體”巖心，繼而避免巖心內部物質信息的損失。
劉濤及其他團隊成員正在向謝和平院士匯報研究成果，“在利用疏水組分改性的膜材包覆巖心后，幾乎沒有檢測到巖心內部的礦物成分、離子成分散失，驗證了膜材具有良好的保質效果，但巖心內部的水分在長時間測試下發生了一定損耗。”謝和平院士當即打斷說道：“這不就是我們海水制氫一直想要實現的過程嗎，只有水能夠通過，其他成分不能過？”
“那一瞬間大家都被點醒了，就是這樣一場巧合勾起靈感火花——《Nature》文章的雛形。”劉濤回憶道。
從2020年這一原理被提出，到2022年11月30日在《Nature》上見刊，研究團隊花了兩年多的時間來實現這一創造性的構想。Nature副主編評論道，“很少有論文能夠令人信服地從海水中實現規模化穩定制氫，但該論文的工作恰恰做到了這一點。他們完美地解決了有害腐蝕性這一長期困擾海水制氫領域的問題，將打開低成本燃料生產的大門，有望推動變革走向更可持續的世界！”
隨后不到20天時間，團隊就和東方電氣簽署了合作協議，并于2023年5月27日在福建省福清市完成全球首個海上風電海水無淡化原位直接電解制氫海試，在3-8級風浪、0.3-0.9米浪的復雜環境下實現穩定運行10天。
前景廣闊
開啟無需純水的制氫新時代
海水無淡化原位直接電解制氫規模化技術裝備及穩定性
該技術的發展前景如何？劉濤表示，海水無淡化原位直接電解制氫技術不僅有望開啟無需純水的制氫新時代，節約淡化設備投入和淡化成本。從能源的角度來說，還有望成為可再生能源，是深遠海風電大規模并網消納難、工程投資/電力輸送成本高等問題的破局關鍵！構建與可再生能源相結合的一體化無需純水的電解制氫工廠，助力形成多能互補一體化新能源產業。
另一方面，該技術還有望實現眾多水溶液（廢水、鹽湖水、礦井水等）的資源化、能源化雙效利用，直接制氫同時實現高附加值產物濃縮富集（如鋰、鈾、海鹽等），實現更具經濟潛力的制氫新模式，擴展電解水制氫技術的應用場景和技術延展性。
未來還會開發第二代更抗海洋環境干擾的海水直接制氫系統，在規模上實現由每小時100到1000標方，再到3000標方的突破。同時，還會進一步拓寬應用場景和經濟潛力，如應用到油田水、礦井水、鹽湖水等。
當然，這一切未來成就實現的前提是立足于當下的實踐，劉濤表示，“當下我們還需要不斷對制氫裝備的真實環境耐受性、穩定性和規模化進行攻關，對技術體系不斷的迭代升級也是我們接下來一直需要攻關的內容。比如：開發具有高穿透壓與力學強度的聚合物膜材，形成抗海風、海浪等復雜環境干擾的海水相變遷移傳質技術。再比如：制氫規模從現在的每小時產氫0.4標方突破到每小時產氫1000標方的大型化過程中，如何實現電解系統的優化設計與集成技術，如何加強與可再生能源的適配性，如何實現性能指標的不斷提升等等。”
