科普 | 海水制氢是什么？为什么这么备受关注？它有哪些技术难点？

 

为什么海水直接电解制氢中试成功，这么备受关注？这有什么难度吗？海水电解制氢需要克服的技术难点又是什么？

 

 

 

水电解制氢，被认为是非常重要的绿氢制备技术，目前已商业化的水电解技术均以淡水为电解液。众所周知，全球淡水资源极其有限，随着水电解制氢规模化应用，这无疑加剧了淡水资源短缺问题。与之相比，海水资源丰富，由此便有了“海水制氢”的想法。

 

海水占地球全部水量的96.5%，与淡水不同，其成分非常复杂，涉及的化学物质及元素有90多种。海水中所含有的大量离子、微生物和颗粒等，会导致制取氢气时产生副反应竞争、催化剂失活、隔膜堵塞等问题。

 

为此，以海水为原料的制氢技术形成了两种不同的路线。其一，海水直接制氢，即是基于天然海水，主要通过电解或光解方式制取。其二， 海水间接制氢，则是对海水进行脱盐、除杂处理，将海水先淡化形成高纯度淡水，再进行制氢。

 

 

海上制氢平台可作为能源的长期储存或精细化学品的生产场所，能让绿色能源与化工生产系统紧密结合。

 

海上制氢平台可以解决深远海可再生电力消纳问题，利用可再生电力就地制氢、制绿氨，或许会成为未来深远海可再生能源的主要应用方式。

 

技术难点一：海水中的众多杂质影响阴极析氢的发生

 

在电解水过程中，H2从阴极析出，对于阴极析氢反应，最具挑战性的问题就是，天然海水中存在着各种溶解的阳离子，如Na+、Mg2+、Ca2+等，除此之外，还有多种细菌、微生物和微小颗粒等。

 

这些杂质会随海水电解过程的进行，堵塞电极，进而毒害或加速电解系统中电极/催化剂的老化，导致其耐久性变差。

 

技术难点二：氯离子造成阳极腐蚀，并影响阳极析氧反应

 

在电解水过程中，通常情况下，O2从阳极析出。但是，海水中存在的大量氯离子（Cl-）会造成阳极材料的严重腐蚀，进而导致电极损坏、电压过高，从而终止高效的析氧反应；另外，高浓度的氯离子，还会在阳极发生氯氧化反应，占据催化剂的活性位点，从而降低阳极析氧反应的效率。

 

技术难点三：阳极析氧反应和氧氯化反应之间的竞争

 

在海水电解过程中，阳极会发生两种反应，即：析氧反应（OER）和氧氯化反应（ClOR）。析氧反应：4OH-→O2+H2O+4e-；E0=1.23V （vs. RHE）

 

氯氧化反应：Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e-；E0=1.71V （vs. RHE）

 

可见，二者的E0相近，会产生竞争关系，这极大地限制了电解槽的工作电压。此外，ClOR反应和次氯酸盐的形成均为二电子反应，与OER四电子反应相比，ClOR反应在动力学上更容易进行，因而，通常观察到的OER过电位比ClOR高。

 

研究现状

 

目前，光解海水制氢还处于早期研究和试验阶段，仍面临诸多挑战，而海水电解制氢研发已取得了一定的进展。2022年，谢和平院士团队在海水直接制氢领域取得重大原创突破，创新性地建立了相变迁移驱动的海水无淡化原位直接电解制氢全新原理与技术。国内外出现不少海水制氢示范项目，但仍是小规模试点，且大多处于在建或拟建阶段。

 

虽然海水电解制氢从小试、中试到最终工业上广泛应用，还有很长的路要走。但是我们相信，在氢能这个万亿级赛道，如果这项技术最终得以应用，将会在“脱碳”道路上留下最浓墨重彩的一笔！