中國儲能網(wǎng)訊：清潔、高效、低成本的電解制氫技術被視為推進氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵，未來全球氫能需求大幅增長，僅靠純水電解路線將難以滿足。海水電解制氫能夠有效利用豐富的海水資源，還可產(chǎn)出氯氣等副產(chǎn)品以降低總體成本。另外，通過同步聯(lián)產(chǎn)淡水、與可再生能源相結合等方式，能夠為沿海及偏遠海島地區(qū)提供應對淡水資源短缺、實現(xiàn)能源自給的新途徑。然而，傳統(tǒng)海水制氫往往采取海水淡化提純后再制氫的間接路線，存在設備成本及運維成本較高、工藝流程復雜等問題。自2022年謝和平院士海水原位直接電解制氫取得顛覆性突破以來，國內(nèi)外多個團隊相繼取得進展。近日，科技部立項首個海水直接電解制氫共性技術類項目“兆瓦級抗波動直接電解海水制氫關鍵技術研究與裝備集成應用”[1]，對推動我國在海水制氫領域建立全球領先地位具有重大意義。本文梳理分析了近期全球海水直接制氫技術的最新研發(fā)及示范進展，并展望未來發(fā)展趨勢。
一、海水直接電解制氫技術
海水電解制氫技術自20世紀中葉即開始研發(fā)，目前工業(yè)示范中主要采取將海水淡化技術（如海水反滲透技術）與成熟商用電解槽結合的間接制氫方式。盡管反滲透技術已經(jīng)足夠成熟、成本相對較低，但進一步的去離子處理將大幅增加成本。相比海水間接電解制氫，海水直接電解制氫不需要外部海水淡化和后續(xù)凈化裝置，能夠簡化流程、降低能源消耗、節(jié)約技術成本。然而，直接使用海水制氫存在較大技術挑戰(zhàn)[2]。首先，海水中的高濃度氯離子會發(fā)生析氯反應，其比析氧反應動力學更快，會與陽極析氧反應競爭，降低轉化效率。其次，天然海水成分復雜、雜質(zhì)多，存在多種可溶性陽離子、細菌/微生物、固體雜質(zhì)、沉淀物等，將海水直接用于電解可能會導致電解槽電極、催化劑、隔膜等關鍵組件污染、腐蝕或中毒，縮短設備運行壽命。另外，海水電解會導致陰極局部pH值升高，當超過9.5時，可能引起催化劑降解和陰極表面氫氧化物沉淀，使反應活性快速下降。天然海水中雜質(zhì)對海水電解的影響如表1[3]所示。
表1 鹽度約3.5%的天然海水中雜質(zhì)的平均濃度及對海水電解的影響
目前，解決上述挑戰(zhàn)的主要策略有催化劑工程和系統(tǒng)創(chuàng)新（如集成高效原位海水淡化組件）等。
1、催化劑工程
（1）陰極催化劑工程。海水電解過程中電解液pH值會不斷變化，即使在低至10毫安/平方厘米的電流密度下，pH值也會從5到9不等。陰極局部pH值顯著升高，生成Ca(OH)2、Mg(OH)2等附著在催化劑表面導致催化劑失活。而且由于Cl–存在而發(fā)生的析氯反應產(chǎn)物也會阻礙陰極析氫反應，并造成電極腐蝕。因此，需開發(fā)具有抗Cl–毒性和抗沉淀特性的催化劑。陰極析氫反應催化劑主要基于耐腐蝕性能優(yōu)異的過渡金屬材料，增強其活性和穩(wěn)定性的主要策略有電子結構調(diào)制、局部環(huán)境調(diào)控和界面工程等。例如，天津大學凌濤教授與澳大利亞阿德萊德大學喬世璋教授聯(lián)合研究團隊在催化劑表面引入堅硬的路易斯酸層來分解水分子，并捕捉催化劑周圍大量原位生成的羥基陰離子OH–，使得催化劑表面的氯化學反應被優(yōu)先富集的OH–抑制，而且路易斯酸層與OH–的結合減少了Mg2+和Ca2+對OH–的捕獲，因而避免了沉淀?；诼芬姿顾岣男躁帢O和陽極的海水電解槽使用天然海水在500毫安/平方厘米下實現(xiàn)了超過100小時的運行穩(wěn)定性，且在1.87伏和60攝氏度下表現(xiàn)出工業(yè)所需的1安/平方厘米電流密度[4]。
（2）陽極催化劑工程。海水制氫陽極催化劑面臨的最大挑戰(zhàn)是析氯反應與析氧反應之間的競爭及其產(chǎn)物引起的腐蝕問題。設計陽極催化劑時可考慮如下關鍵策略[5]：①設計具有較低過電位的高活性催化劑以增強析氧反應，如在堿性條件下具有高活性的鎳基催化劑；②用熱力學更有利的電氧化反應替代析氧反應，如尿素氧化反應、硫磺氧化反應、肼氧化反應等；③在電極表面/附近構建Cl–選擇性滲透阻擋層以抑制析氯反應；④利用催化劑表面附近的Cl–進行動態(tài)催化劑重建或原位生成的Cl2進行串聯(lián)反應。
2、系統(tǒng)創(chuàng)新
傳統(tǒng)純水電解槽用于海水直接電解存在局限性，電解槽創(chuàng)新設計對于開發(fā)高效海水電解槽至關重要，一些創(chuàng)新系統(tǒng)設計包括[6]：①雙極膜電解槽，其使用了由聚合物陽離子交換層和陰離子交換層的雙極膜，可將不同pH環(huán)境耦合到單個電解槽中，為每個半反應獨立選擇最佳的pH條件，即在陽極產(chǎn)生局部堿性環(huán)境以阻礙氯化物氧化，在陰極阻止Ca2+/Mg2+傳輸以防止產(chǎn)生沉淀，但需解決雙極膜的不穩(wěn)定性和高過電位問題。②防水滲透膜耦合自潤濕電解質(zhì)電解槽，深圳大學、四川大學謝和平院士與南京理工大學邵宗平教授等人使用疏水性多孔聚四氟乙烯基防水透氣膜作為氣路界面，并采用濃氫氧化鉀溶液作為自潤濕電解質(zhì)，實現(xiàn)了基于自驅(qū)動相變機制的原位水凈化過程與海水電解的集成裝置，在實際應用條件下以250毫安/平方厘米的電流密度穩(wěn)定運行超過3200小時[7]。③正向滲透水分解，該設計將正向滲透與水分解相結合，海水中的Ca2+、Mg2+、CO2、Cl?等陽離子和陰離子被隔絕在水分解室之外，該方法極大依賴于半透膜的選擇性。④微流體無隔膜電解槽，將兩個平行電極板分別涂覆析氫和析氧催化劑，電極板之間的距離約為100微米，當電解液在催化板間流動時，氫氣和氧氣在相應的電極上產(chǎn)生，由于狹窄通道的升力推動氣體向產(chǎn)生氣體的電極板運動，因而兩種氣體不會混合。由于不使用隔膜，因而會被膜的穩(wěn)定性限制。
二、2023年以來研發(fā)及示范進展
2023年以來，海水直接電解制氫獲得學術界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關注，近期取得的技術研發(fā)及示范重要進展如下：
（1）謝和平院士團隊海水原位電解制氫技術中試成功并應用于工業(yè)領域。自2022年11月在《自然》期刊發(fā)表海水原位直接電解制氫研究成果以來，2023年6月，該團隊與東方電氣集團聯(lián)合開展的全球首次海上風電無淡化海水原位直接電解制氫技術中試成功，驗證了在真實環(huán)境下的運行可靠性[8]。2023年10月，東方電氣（福建）創(chuàng)新研究院有限公司與中國石油長慶油田分公司簽署項目合作協(xié)議，將無淡化海水原位直接電解制氫技術應用于長慶油田，這是該技術在海上中試成功后，首次應用于工業(yè)廢水制氫領域[9]。
（2）澳大利亞阿德萊德大學喬世璋教授團隊利用催化劑氯吸附實現(xiàn)工業(yè)級高性能海水電解。2023年9月，該團隊利用Cl?在一些典型析氧反應催化劑特定催化位點上的吸附行為，引起材料結構變化，從而增強催化劑的活性和穩(wěn)定性，在工業(yè)級堿性電解槽（電極面積120平方厘米）中實現(xiàn)了高性能堿性海水直接電解，與運行在純水中的商業(yè)級堿性電解槽相比，電耗降低了20.7%[10]。
（3）中國科學院大連化學物理研究所實現(xiàn)標方級直接海水電解制氫長時穩(wěn)定運行，開發(fā)出高性能自支撐非貴金屬陽極催化劑。2023年9月，中國科學院大連化學物理研究所王二東研究員團隊研發(fā)的1標方/小時直接電解海水制氫裝置，連續(xù)穩(wěn)定運行超2000小時，實現(xiàn)了標方氫每小時級直接電解海水制氫裝置的長時間穩(wěn)定運行[11]。2024年4月，俞紅梅研究員、邵志剛研究員團隊采用“水熱+退火”的合成策略在泡沫鎳基底構筑了富氧空位的自支撐非貴金屬異質(zhì)結構催化劑，能夠穩(wěn)定陽極過程中羥基中間體的吸附，避免氯離子的競爭吸附。將以上材料作為電極用于非貴金屬陰離子交換膜海水電解，實現(xiàn)了300小時以上的穩(wěn)定運行，電壓衰減率<100微伏/小時，表現(xiàn)出良好的應用潛力[12]。
（4）山東師范大學唐波和電子科技大學孫旭平聯(lián)合開發(fā)高穩(wěn)定性陰極。2023年12月，該團隊采用原位生長策略，在泡沫鎳上構筑了微柱形貌的(NiFe)C2O4自支撐電極(NiFe)C2O4/NF，通過C2O42?到CO32?的原位碳氧陰離子自轉化策略使高價態(tài)金屬反應位點免受Cl-侵蝕，實現(xiàn)了堿性海水電解的高氧化活性（在1安/平方厘米下過電勢為349毫伏）和出色穩(wěn)定性（在1安/平方厘米下穩(wěn)定電解600小時只發(fā)生輕微活性衰減）[13]。2024年4月，該團隊通過構建蜂窩型三維電極來實現(xiàn)微觀氣泡/沉淀輸運系統(tǒng)概念，該系統(tǒng)具有強大的抗沉淀海水還原功能，可以大量/均勻地向陰極幾乎每個角落釋放小尺寸的氫氣氣泡，不間斷地排斥鎂鈣沉淀，基于該陰極的流動型電解槽在天然海水中以0.5安/平方厘米工作150小時，同時穩(wěn)定保持接近100%的氫氣法拉第效率[14]。
（5）溫州大學王舜團隊通過原子層沉積開發(fā)高效雙功能海水電解陽極催化劑。2024年3月，溫州大學王舜、陳錫安、郭大營團隊通過原子層沉積技術將超薄無定形氧化鉬（MoO3）層引入到三維碳布（CC）上的有序珠狀氧化鈷（CoO）陣列中，形成豇豆狀結構催化劑（MoO3@CoO/CC）。通過MoO3對CoO表面的精確調(diào)節(jié)，可以優(yōu)化過電位和界面活性從而改善析氧反應動力學，同時，MoO3還可以阻止Cl-到達催化活性界面從而抑制析氯反應?；谠摯呋瘎┙M裝的雙電極流動池在1.93伏、1安/平方厘米條件下可電解長達500小時，法拉第效率高于95%[15]。
（6）南京大學李朝升團隊開發(fā)高效層狀雙氫氧化合物催化劑。2024年3月，該團隊設計了一種基于層狀雙氫氧化合物（CoFe-LDHs）的電催化劑，具有獨特的層狀結構、高比表面積、可調(diào)成分以及在堿性環(huán)境中的高析氧反應活性，通過將碳酸鹽離子引入中間層以及在表面錨定石墨烯量子點，有效阻止了氯離子的不利吸附，并有助于提高電催化劑對氯離子的抗腐蝕能力，在約1.25安/平方厘米的電流密度下電解海水制氫穩(wěn)定運行2800小時。采用該電催化劑構筑的光伏電解海水裝置析氧反應選擇性接近100%，在約440毫安的大電流下太陽能到氫能的轉換效率達到18.1%[16]。
（7）中國科學院理化技術研究所利用有機分子氧化反應替代析氧反應，提出電化學重整廢棄PET塑料耦合海水制氫策略。2024年2月，陳勇研究員團隊設計了Pd-CuCO2O4復合電催化劑，可以高選擇性地將廢棄PET塑料重整為高附加值的乙醇酸，不僅可以提高催化活性，還可以在催化劑表面形成陰離子層來排斥氯離子，提高催化劑穩(wěn)定性。在模擬海水環(huán)境中，該體系可以在1.6安的工業(yè)電流下穩(wěn)定運行超過100小時，實現(xiàn)在電解海水制氫的同時合成高附加值化學品，以降低制氫成本[17]。
（8）國家能源集團與煙臺中集來福士獲中國船級社原則性認可證書。2024年3月，中國船級社（CCS）為國家能源集團氫能科技有限責任公司及煙臺中集來福士海洋工程有限公司等聯(lián)合研發(fā)的“一站式海上綠色氫醇氨生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)”頒發(fā)了原則性認可證書。該系統(tǒng)搭載H206半潛式海上平臺，建成1.5兆瓦海上光伏，開展離網(wǎng)型光伏電解制氫（包括質(zhì)子交換膜電解制氫、堿性電解制氫、海水直接電解制氫）、高壓儲氫、綠色甲醇與綠氨合成、離網(wǎng)系統(tǒng)控制等關鍵技術研究，打通海上綠氫制備耦合下游氫基化工的一體化工藝流程[18]。
三、未來發(fā)展趨勢
海水直接電解將是實現(xiàn)長期可持續(xù)電解制氫的有前景路線，盡管該技術已經(jīng)取得大量進展，但大部分研究仍處于實驗室研發(fā)階段，真正實現(xiàn)商業(yè)化部署仍需解決一些關鍵挑戰(zhàn)[19],[20],[21]：
（1）開發(fā)高活性和選擇性的耐用催化劑是技術研發(fā)的核心。需更深入研究海水在催化劑上分解的反應機制以理解整個催化過程，海水電解質(zhì)的復雜化學環(huán)境使得難以區(qū)分催化活性位點，有必要結合原位技術和理論計算來探索催化劑結構、活性和能量的變化。過渡金屬基催化劑具有較大潛力，需要開發(fā)高產(chǎn)率、低成本的簡單合成工藝。運用形貌和電子工程加強對催化劑的精確調(diào)控、設計具有親水表面的多孔納米結構是提升催化劑性能的有效策略，還可考慮應用高熵材料和防腐蝕涂層解決催化劑的耐腐蝕和耐沉淀問題。
（2）電解系統(tǒng)設計需考慮所有關鍵部件在真實海水條件下的穩(wěn)定性，開發(fā)更多非常規(guī)、實用的海水電解裝置，并考慮更廣泛的應用場景。與當前商業(yè)純水電解槽相比，海水電解系統(tǒng)還需要考慮雙極板、水循環(huán)系統(tǒng)等部件的耐腐蝕問題。另外，一些創(chuàng)新的電解槽設計已經(jīng)取得令人鼓舞的成果，如可排斥Cl-、Na+的雙極膜電解槽、Cl-選擇性膜電解槽、基于液-氣-液相變遷移驅(qū)動的海水原位分解電解槽、無膜電解槽等。除制氫外，還可考慮海水電解的附加功能，如海水淡化、陽極聯(lián)產(chǎn)制氯/含氯產(chǎn)品等。將海水電解與海上可再生能源耦合是降低整體成本、尋求更多效益的可行途徑。
