中国智慧：让“蓝色氢矿”梦想成真

苏更林

作为一种清洁高效的能源，氢能一向被认为是21世纪最理想的清洁能源。作为氢能的载体，氢气在自然界几乎并不存在，因此仍然是一种稀缺资源。我国谢和平院士团队在海水直接电解制氢方面的突破，开启了“蓝色能源”的新时代，具有十分重要的意义。

氢能时代，久闻其声未见其影

无处不在的氢，在宇宙演化进程中扮演了极其重要的角色。我们通常所说的氢能，指的是氢的化学能，即通过氢气和氧气发生化学反应而产生的能量。氢能的明星地位源于其具有以下诸多优势。一是燃烧热值高。氢气的质量能量密度（单位质量所含的能量）远高于煤炭、石油和天然气等化石燃料，同时，氢气是极好的传热载体，其燃点低、燃烧速度快、燃烧性能好。二是环保性能好。作为一种零碳燃料，氢气本身无毒，一般产物只有水，不会污染环境，燃烧产生的水还可以再次制氢，因此可以循环使用。三是储量丰富。浩瀚的海洋是氢元素的“大本营”，因此，氢资源十分丰富，甚至是取之不尽、用之不竭的。

氢能在航天和交通等領域的应用，开启了人类氢能利用的新篇章，但人们一直呼唤的“氢能时代”并未如期而至。为什么“氢能时代”久闻其声未见其影呢？这是由氢的理化特性以及产业化程度决定的。

我们所期盼的“氢能时代”，是以氢能的大规模利用为主要标志的。氢能的大规模利用，则受制于氢能产业的完善程度，主要分为氢气制取、储运和终端使用三大环节。

氢元素虽然无处不在，但是氢气仍是一种稀缺资源。这是因为氢的性质十分活泼，并且原子半径极小，因此它在自然界一般是不能单独存在的。这就是地球上的氢主要以化合物形式存在的原因。也就是说，我们不能像开采煤炭、石油和天然气那样开采出氢气来就能用。氢气的制取无疑是减缓“氢能时代”步伐的一大制约因素。

说起氢气的储运，这里的挑战不小，主要是氢气储运的低安全性和低效率。氢气易气化、着火点低、易燃易爆，在空气中的浓度达到4.0%～75.6%（体积分数）时遇火会爆炸。由于气态氢气体积密度极小，因此在储运时必须进行压缩。尽管提高压缩比可以提高氢气的储运效率，但往往会加大安全风险，还会消耗更多的能源，同时也对储运材料提出了更高的要求。

至于终端使用，氢能利用可以有多种形式，既可以通过燃烧来产生热能，也可以作为燃料电池的原料加以利用。目前，氢燃料电池汽车仍是氢能应用的主要途径。未来，氢能的应用将会十分广泛，可在交通运输、工业生产、能量传输、电网储能等领域发挥重要作用。在氢能的整个产业链条中，目前产业化发育尚不完善，某些关键技术还需要突破，因此需要不断打通堵点，助推氢能产业落地生根。

蓝色海洋，氢的“大本营”

作为一种二次能源，氢气突破制造关是大规模应用的基础。关于氢气的制造，可以有多种原料技术路线。传统的氢气制造大多以煤炭、石油、天然气等化石能源为原料，也可以用焦化、氯碱、钢铁、冶金等工业副产气来制取氢气。

不同的原料来源和制造工艺，决定了氢气的碳足迹。基于化石燃料生产的氢气，我们称其为“灰氢”。“灰氢”尽管制造成本相对较低，但因其制氢过程会排放二氧化碳，因此并不是真正意义上的清洁能源。

为了降低“灰氢”的碳排放水平，可以应用碳捕集、利用与封存技术来实现低碳制氢。我们通常把基于天然气制氢和采用碳捕集、利用与封存技术生产的氢气叫作“蓝氢”，由于在其生产过程中产生的温室气体被捕获了，因此实现了低碳排放生产。

在“双碳”背景下，“绿氢”将成为“氢能时代”的主角。“绿氢”制造采用的是可再生能源和电解水工艺。目前，国内的制氢技术主要是以化石能源制氢为主。“绿氢”的规模全球大约只占4%。这主要受制于目前“绿氢”制造技术难度大以及制造成本的居高不下。

有报告称，2060年我国氢气的年需求量将达到1.3亿吨，如果全部采用电解水工艺制取“绿氢”，那么每年需消耗大约11.7亿吨的纯水。有人会说，蔚蓝色的地球一向被称为“水球”，难道也会缺水吗？客观地讲，地球上并不缺水，然而淡水资源却严重短缺。如果“绿氢”生产再与人争水，那么本就缺乏的淡水资源就会更加捉襟见肘。

放眼蓝色海洋，那里才是氢的“大本营”。 据计算，地球表面总面积约5.1亿平方千米，海洋面积（3.61亿平方千米）大约占到了70.8%。一个水分子含有两个氢原子，那浩瀚的海洋该有多少氢原子呢？取之不尽的海水，意味着有用之不竭的氢资源。

中国突破，不再“望洋兴叹”

向海洋要水，向海水要氢，不失为解决淡水危机和“绿氢”来源的终极方案。虽然科学家在海水淡化和电解制氢等方面进行了长期的研究，但是仍然没有走出“望洋兴叹”的困局。究其原因，是海水成分的复杂性增加了制氢的难度。海水属于一种含有多种溶解盐类的水溶液。其中，水占96.5%，含盐量约为3.5%。你可别小看这不起眼的3.5%，如果将其全部提取出来可以在地球表面形成厚度为40米的盐层。当然，这里所说的盐层并不全是氯化钠。分布在海水中的化学元素超过92种，除了构成水的氢和氧元素之外，还有氯、钠、镁、硫、钙、钾、溴、碳、锶、硼、氟等。

20世纪70年代初，世界上就有科学家提出了海水直接电解制氢的构想。问题是，电解水制氢技术需要用超纯淡水作为原料，并且在成本方面并不具有优势。海水成分的复杂性决定了其具有不同于淡水的物理化学性能，并对海水直接电解制氢构成了严峻的挑战。首先，天然海水中的氯离子可在阳极被氧化为氯气和次氯酸根，腐蚀电极金属基底，并导致催化剂失活。其次，海水中的杂质往往会导致离子交换膜通道和催化活性位点的堵塞等。另外，海水的电解效率很低，这是因为海水中的氢离子以及氢氧根离子浓度很低，在电解过程中的传质速率很慢。虽然海水直接电解制氢不失为最为理想的制氢方案，但将其推向工业化规模需要革命性的突破。

近期，我國科学家谢和平院士提出了解决海水直接电解制氢难题的新思路，并带领其团队在海水直接制氢领域取得了重大原创性突破。

由于海水成分的复杂性，传统的试图通过额外添加催化剂的方法来实现海水直接电解制氢的方案很难取得突破，因为海水中的杂质对催化剂具有很大的杀伤力。谢和平院士团队独辟蹊径，力求从物理力学和电化学相结合的视角实现海水直接电解制氢的新突破，结果率先实现了无需额外催化剂、无需事先海水淡化、无需额外能耗的海水高效原位直接电解制氢的原创技术模型，从而解决了海水直接制氢这一困扰科学界近50年的科学难题。

独辟蹊径，海水“自发淡化”的秘密

那么，谢和平院士团队是如何实现海水直接电解制氢的呢？按照谢和平院士团队的海水原位直接电解制氢的原创技术模型，其原理创新包括两个方面：一是自发获取纯净水，以满足电解稳定制氢的要求；二是实现海水杂质的自主隔离，以解决设备腐蚀和催化剂失活问题。

利用海水直接电解制氢，并不意味着电解装置可以耐受海水的复杂成分，只不过巧妙利用了海水自发蒸发的物理过程罢了。其实，海水蒸发是一个不争的事实，并成为大气环境中水汽和热量的重要来源。世界海洋每年大约蒸发50.5万立方千米的海水，并向大气环境供应87.5%的水汽。

谢和平院士团队在“海水净化”方面做足了文章，即把海水蒸发产生的纯净淡水引流到电解装置，从而解决了电解水制氢的原料问题。这种独特的水净化机制，要比先淡化后制氢先进多了，既不需要额外消耗能量，又避免了海水淡化的污染排放等问题。

最初，海水蒸发产生的纯净淡水是以水蒸气的形式存在的。那么它是如何隔开液态海水及其杂质离子而被引流到电解装置的呢？谢和平院士团队是通过一种叫作“透气不透水”的膜机理来完成的。这种膜叫作疏水多孔聚四氟乙烯（PTFE）防水透气膜。用这种防水透气膜把海水和电解装置隔离开来，具有“透气不透水”的神奇功能。原来，海水蒸发产生的水蒸气（分子很小）可以透过PTFE膜的微观孔道向电解装置内部扩散（“透气”），而海水及其杂质因其颗粒较大会被隔开在海水中（“不透水”）。该工艺对于海水及其杂质“自主隔离”，从根本上解决了海水杂质离子的腐蚀问题。

关于海水直接电解制氢中水分的传输路径，可以分为海水侧气化、膜内扩散和电解质侧吸收液化三个过程。海水侧的海水蒸发是一个吸热的过程，其限度受到海水饱和蒸汽压的制约。如果不断地将水蒸气导出，那么海水就会不断地蒸发。关于水蒸气在PTFE膜内的扩散，其驱动力来源于海水的高饱和蒸汽压与高浓度电解质的低饱和蒸汽压间的压差。正是这种驱动力促进了水分子跨膜传输至电解质侧，并通过自增湿电解质的水合和吸收作用而发生液化，以完成电解制氢的原料补充。

那么，电解海水制氢以及海水蒸发是如何得以持续的呢？在电解水制氢系统，随着氢气和氧气的释放和导出，装置内的液态水就会逐渐减少，使得膜界面的压差变大，这样就会诱导水蒸气持续地从海水侧向电解质侧传输，从而使得电解海水制氢以及海水蒸发都得以持续。

海洋“绿氢”，为未来“减碳”

构建氢能社会，解决氢能来源是基础。谢和平院士团队首创的全球首个海上风电无淡化海水直接电解制氢技术，于2023年5月在福建海试成功，并连续稳定运行超过240小时。

“双碳”背景下，中国“绿氢”生产迎来了一个跨越式发展的春天。作为中国可再生能源发展的“重头戏”，海上风电也将进入一个新的发展时期。海上风电具有资源丰富、发电效率高、运行稳定、零粉尘排放、不占用土地以及适宜大规模开发等优势。谢和平院士团队的原创性科技成果开创了海水原位直接电解制氢的全新技术路径，有望成为全球海上可再生能源直接海水制氢领域的“标杆”。

建设全新的海洋“绿氢”工业体系，首先要实现海水直接电解制氢的产业化。我国科学家打造的海上风电智慧稳定供电系统以及漂浮式海上制氢平台，无疑是我国大规模风电耦合海水制造“绿氢”的阶段性科研成果。未来工作的重点是进一步攻克抗海洋环境干扰的海水直接电解制氢核心技术，建设更加高效、更高稳定性以及更具兼容性的第二代核心技术及装备；有序建设海上风电等可再生能源与海水直接电解制氢一体化全新工业模式，并探索和完善更大规模化和更高智能化的核心技术及装备。用中国智慧推进全球海洋“绿氢”的产业化，无疑是一项造福全人类的伟大工程，具有十分重要的战略意义。

【责任编辑】蒲 晖