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【對話/觀察者網 周遠方 整理/袁逸泓】

12月16日，深圳大學/四川大學謝和平院士團隊與東方電氣股份有限公司、東方電氣（福建）創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技術中試和產業化推廣應用”的四方合作協議。

圖自《深圳商報》

觀察者網：海水直接電解制氫是困擾世界半個多世紀的難題，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，再進行制氫，這是現有各種技術的結合。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展還不足以達到走出實驗室，更不用提商業化。目前僅僅能夠在實驗室里持續100-200個小時。海水成分復雜，里面有多種元素、離子化合物等，在電解過程中會發生競爭性反應，導致失效。

舉例而言，在陰極，氫離子變成氫氣，同時，鈣離子、鎂離子也會發生反應，生成氫氧化鈣、氫氧化鎂，產生固體物質。一旦累積，就會沉積在催化劑或電極表面堵塞導致失活，從而使整體效率下降，無法進行電解。這是在陰極上可能發生的問題。在生成氧氣的陽極，由于存在氯離子，在生成氧氣的同時會生成氯氣，這是競爭性副反應。氯氣生成后溶解在水里會生成次氯酸，造成腐蝕。這些問題也導致了一系列后續問題的發生。

這是最典型的發生在海水直接制氫領域的問題，在陰極和陽極上會發生沉積、腐蝕、堵塞、失活等各種問題。根本原因是，由于海水成分復雜，可能同時存在多種競爭性副反應，引發不可預料的結果，目前還沒有完美的解決方案，因此傳統的海水直接電解制氫領域進展一直不明朗。

觀察者網：為什么純水淡化這條路線也不經濟呢？

劉泰生：海水通過設備進行淡化，存在兩方面問題。第一，設備成本高；第二，設備占地大。過去，膜技術沒有突破時，只能通過熱法進行淡化，不但成本高，而且需要熱源，很麻煩。即使后來膜法被發明，電費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，也需要額外設備與成本。尤其是在某些特殊應用場景，不具備相應空間條件。同時，整體系統檢修和維護工作量也較大。總而言之，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，但從經濟性上有一定挑戰，國內外也少有人嘗試。

觀察者網：請您談一下這次物理力學過程和電化學反應相結合的直接海水制氫原理。

劉泰生：如果大家對這個原理感興趣，可以直接去看《自然（nature）》上的這篇論文，其實已經講得很清楚了。我可以再簡化一下，便于大家理解，可能跟與論文的內容不一定完全對應。

海水無淡化電解制氫的原理是什么？

電解水制氫領域，市場占有率最高且成熟度最高的主流技術是堿性電解水制氫，占據電解水制氫領域99％以上市場份額，是最主流、經濟性最好、單位功率最高的技術。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。按照傳質的基本原理，由于濃度差，海水中的水會自然向堿性電解液流動，這是一個自驅動的過程。

這時，如果設置一個膜，只讓水分子通過，不讓其它離子通過，就實現了向堿性電解液補水的效果。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，不斷補充到堿性電解液里面，從而實現動態平衡，源源不斷地對海水中的水進行電解。這項技術適用于最普通、最經濟的堿性電解液，通過海水和堿性電解液中水的摩爾濃度差進行自驅動，不需要任何外來電力就可以實現，這就是其原理與優勢所在，與傳統利用反滲透膜進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，圖自謝和平院士團隊在《自然》雜志上表的論文《A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation》

觀察者網：既然這個原理一直成立，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路線，仍然按照傳統海水直接電解的思路，強調如何調整催化劑、改進電極、調整電解液等。

謝和平院士團隊走上這條路是多學科交叉、跨界研究的成果。謝院士從事多種跨界研究，將補水原理運用于海水制氫的想法，是在另一案例中探討失敗原因時獲得的靈感。他山之石，可以攻玉。這是突破傳統思維的新路徑，彰顯了多學科綜合和學科交叉對創新的促進推動作用。