6月2日，謝和平院士團(tuán)隊(duì)與東方電氣集團(tuán)聯(lián)合開展的全球首次海上風(fēng)電無淡化海水原位直接電解制氫技術(shù)海上中試，在福建興化灣海上風(fēng)電場(chǎng)獲得成功。
為什么海水直接電解制氫中試成功，這么備受關(guān)注？這有什么難度嗎？海水電解制氫需要克服的技術(shù)難點(diǎn)又是什么？
海水制氫
水電解制氫，被認(rèn)為是非常重要的綠氫制備技術(shù)，目前已商業(yè)化的水電解技術(shù)均以淡水為電解液。眾所周知，全球淡水資源極其有限，隨著水電解制氫規(guī)模化應(yīng)用，這無疑加劇了淡水資源短缺問題。與之相比，海水資源豐富，由此便有了“海水制氫”的想法。
海水占地球全部水量的96.5%，與淡水不同，其成分非常復(fù)雜，涉及的化學(xué)物質(zhì)及元素有90多種。海水中所含有的大量離子、微生物和顆粒等，會(huì)導(dǎo)致制取氫氣時(shí)產(chǎn)生副反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)、催化劑失活、隔膜堵塞等問題。
為此，以海水為原料的制氫技術(shù)形成了兩種不同的路線。其一，海水直接制氫，即是基于天然海水，主要通過電解或光解方式制取。其二， 海水間接制氫，則是對(duì)海水進(jìn)行脫鹽、除雜處理，將海水先淡化形成高純度淡水，再進(jìn)行制氫。
兩大優(yōu)勢(shì)
海上制氫平臺(tái)可作為能源的長(zhǎng)期儲(chǔ)存或精細(xì)化學(xué)品的生產(chǎn)場(chǎng)所，能讓綠色能源與化工生產(chǎn)系統(tǒng)緊密結(jié)合。
海上制氫平臺(tái)可以解決深遠(yuǎn)海可再生電力消納問題，利用可再生電力就地制氫、制綠氨，或許會(huì)成為未來深遠(yuǎn)海可再生能源的主要應(yīng)用方式。
技術(shù)難點(diǎn)
技術(shù)難點(diǎn)一：海水中的眾多雜質(zhì)影響陰極析氫的發(fā)生
在電解水過程中，H2從陰極析出，對(duì)于陰極析氫反應(yīng)，最具挑戰(zhàn)性的問題就是，天然海水中存在著各種溶解的陽(yáng)離子，如Na+、Mg2+、Ca2+等，除此之外，還有多種細(xì)菌、微生物和微小顆粒等。
這些雜質(zhì)會(huì)隨海水電解過程的進(jìn)行，堵塞電極，進(jìn)而毒害或加速電解系統(tǒng)中電極/催化劑的老化，導(dǎo)致其耐久性變差。
技術(shù)難點(diǎn)二：氯離子造成陽(yáng)極腐蝕，并影響陽(yáng)極析氧反應(yīng)
在電解水過程中，通常情況下，O2從陽(yáng)極析出。但是，海水中存在的大量氯離子（Cl-）會(huì)造成陽(yáng)極材料的嚴(yán)重腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致電極損壞、電壓過高，從而終止高效的析氧反應(yīng)；另外，高濃度的氯離子，還會(huì)在陽(yáng)極發(fā)生氯氧化反應(yīng)，占據(jù)催化劑的活性位點(diǎn)，從而降低陽(yáng)極析氧反應(yīng)的效率。
技術(shù)難點(diǎn)三：陽(yáng)極析氧反應(yīng)和氧氯化反應(yīng)之間的競(jìng)爭(zhēng)
在海水電解過程中，陽(yáng)極會(huì)發(fā)生兩種反應(yīng)，即：析氧反應(yīng)（OER）和氧氯化反應(yīng)（ClOR）。析氧反應(yīng)：4OH-→O2+H2O+4e-；E0=1.23V （vs. RHE）
氯氧化反應(yīng)：Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e-；E0=1.71V （vs. RHE）
可見，二者的E0相近，會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，這極大地限制了電解槽的工作電壓。此外，ClOR反應(yīng)和次氯酸鹽的形成均為二電子反應(yīng)，與OER四電子反應(yīng)相比，ClOR反應(yīng)在動(dòng)力學(xué)上更容易進(jìn)行，因而，通常觀察到的OER過電位比ClOR高。
研究現(xiàn)狀
目前，光解海水制氫還處于早期研究和試驗(yàn)階段，仍面臨諸多挑戰(zhàn)，而海水電解制氫研發(fā)已取得了一定的進(jìn)展。2022年，謝和平院士團(tuán)隊(duì)在海水直接制氫領(lǐng)域取得重大原創(chuàng)突破，創(chuàng)新性地建立了相變遷移驅(qū)動(dòng)的海水無淡化原位直接電解制氫全新原理與技術(shù)。國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)不少海水制氫示范項(xiàng)目，但仍是小規(guī)模試點(diǎn)，且大多處于在建或擬建階段。
雖然海水電解制氫從小試、中試到最終工業(yè)上廣泛應(yīng)用，還有很長(zhǎng)的路要走。但是我們相信，在氫能這個(gè)萬億級(jí)賽道，如果這項(xiàng)技術(shù)最終得以應(yīng)用，將會(huì)在“脫碳”道路上留下最濃墨重彩的一筆！
