近期，謝和平院士海水制氫研究團隊在海水直接制氫領域取得重大原創(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界近50年的科學難題，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/深圳大學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)技術中試和產(chǎn)業(yè)化推廣應用”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，并有望在新能源應用領域帶來重大突破。

▲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、四川大學新能源與低碳技術研究院研究員劉濤。他告訴記者，海水包含了約92種化學元素，這樣的復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)生嚴重的損害。技術突破如履薄冰，研究壓力不斷累積，成為了研究人員們身上的重擔，謝和平院士海水制氫研究團隊已經(jīng)在這個領域默默耕耘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/深圳大學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不僅符合當前國家戰(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)化應用。

四川大學/深圳大學謝和平院士團隊已在零碳能源與負碳技術研究領域深耕十余年，團隊集結(jié)化學工藝、材料工程、機械制造等領域多交叉學科科研人才。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：“海水制氫技術研發(fā)是我們的重點研究方向。”謝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)這項技術的產(chǎn)業(yè)化落地。

具體而言，第一步，各方將共同推進海上中試示范驗證，樹立可再生能源海上直接電解制氫領域標桿。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／深圳大學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)技術中試和產(chǎn)業(yè)化推廣應用”的四方合作協(xié)議。隨后，研究團隊將全力攻關第二代大規(guī)模海水無淡化原位直接電解制氫核心技術，迭代發(fā)展并優(yōu)化升級。最后，通過協(xié)同合作加速推進產(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的產(chǎn)業(yè)化落地。”

如何征服復雜的海水成分？謝和平院士鼓勵跳出傳統(tǒng)思維

據(jù)悉，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，復雜的海水成分成為最大的“攔路虎”。

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。近半個世紀以來，國內(nèi)外研究團隊一直在進行相關研究。然而，可規(guī)模化的高效穩(wěn)定海水直接電解制氫原理與技術仍是世界空白。

隨時隨地討論總結(jié)、日夜不停做實驗搞分析、輪班徹夜觀察設備運行……是謝和平院士海水制氫研究團隊突破技術難題時的常見狀態(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，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)了將物理力學與電化學相結(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。

2021年研究團隊驗證了將物理力學與電化學相結(jié)合的海水直接電解制氫全新思路是可行的，但進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。

想要突破長達半世紀的科學難題、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。

隨著技術深度挖掘和應用拓展，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，技術原理可用于其它非純水能源化

氫能被認為是未來能源結(jié)構體系的核心，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)在由于海上風電等可再生能源難利用，棄風棄電多，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?？稍偕茉撮_發(fā)的破局關鍵。

據(jù)了解，關于氫氣氫能的應用，當下比較熱門的研究是氫氣可替代焦炭作為還原劑應用于冶金行業(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)和氫能應用的持續(xù)發(fā)展，相關的應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的研究方向，氫氣儲存的高壓儲罐材料及類型同國際先進水平仍有一定差距，若是氫氣儲運成本較高，這就會進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)模化的制氫過程。

▲謝和平院士正在指導學生

海水無淡化原位直接電解制氫技術不僅減碳還環(huán)保。劉濤介紹到，技術裝備在使用過程中，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。