近期，谢和平院士海水制氢研究团队在海水直接制氢领域取得重大原创突破，并在《Nature》上发表了研究论文。这意味着海水直接制氢这一个困扰学界近50年的科学难题，得到了崭新突破。
红星新闻记者了解到，12月16日东方电气股份有限公司、东方电气（福建）创新研究院有限公司与四川大学/深圳大学谢和平院士团队在深圳签署“海水无淡化原位直接电解制氢原创技术中试和产业化推广应用”的四方合作协议。这意味着该项科技成果正在加速产业化，并有望在新能源应用领域带来重大突破。
▲签约仪式现场
海水直接制氢为何如此复杂？12月25日，红星新闻记者采访了谢和平院士海水制氢团队核心成员、四川大学新能源与低碳技术研究院研究员刘涛。他告诉记者，海水包含了约92种化学元素，这样的复杂成分暗藏着许多危险的“变化”，任何微小的“变化”都可能会对电解系统产生严重的损害。技术突破如履薄冰，研究压力不断累积，成为了研究人员们身上的重担，谢和平院士海水制氢研究团队已经在这个领域默默耕耘10余年，刘涛说：“谢院士知道这是块‘硬骨头’，但他一直鼓励我们要啃下去，因为大家深知它将具有划时代的意义。”
海水直接制氢技术未来5年内有望实现产业化落地
据了解，海水无淡化原位直接电解制氢原创技术的研发同东方电气股份有限公司、东方电气（福建）创新研究院有限公司与四川大学/深圳大学谢和平院士团队四方紧密联系，前期，东方电气集团专项投入3000万元作为海水无淡化原位直接电解制氢颠覆性技术研发经费。在东方电气股份有限公司党组成员、副总经理张彦军看来，本次联合推动海水无淡化原位制氢技术不仅符合当前国家战略，也符合企业发展所需。谢和平院士表示，协同创新可加快该项科技成果的转化应用。
四川大学/深圳大学谢和平院士团队已在零碳能源与负碳技术研究领域深耕十余年，团队集结化学工艺、材料工程、机械制造等领域多交叉学科科研人才。目前，团队包含研究员、副研究员、博士后及博士研究生共18人。研究员刘涛告诉记者：“海水制氢技术研发是我们的重点研究方向。”谢和平院士团队正与东方电气等三方全面合作，计划以“三步走战略”实现这项技术的产业化落地。
具体而言，第一步，各方将共同推进海上中试示范验证，树立可再生能源海上直接电解制氢领域标杆。在12月16日，东方电气股份有限公司、东方电气（福建）创新研究院有限公司与四川大学／深圳大学谢和平院士团队已在深圳签署“海水无淡化原位直接电解制氢原创技术中试和产业化推广应用”的四方合作协议。随后，研究团队将全力攻关第二代大规模海水无淡化原位直接电解制氢核心技术，迭代发展并优化升级。最后，通过协同合作加速推进产业化落地，实现全新的海水制氢新型工业模式。刘涛预估：“大概在未来3-5年内，有希望实现与现有工业电解系统的高效匹配，实现海水无淡化原位直接电解制氢技术的产业化落地。”
如何征服复杂的海水成分？谢和平院士鼓励跳出传统思维
据悉，预计到2060年，我国氢气年需求量将达1.3亿吨，届时每年需要消耗约11.7亿吨电解用纯水。然而，淡水资源紧缺将严重制约“绿氢”技术的发展。海洋是地球上最大的氢矿，向大海要水是未来氢能发展的重要方向，复杂的海水成分成为最大的“拦路虎”。
20世纪70年代初有科学家提出了海水直接电解制氢的构想。近半个世纪以来，国内外研究团队一直在进行相关研究。然而，可规模化的高效稳定海水直接电解制氢原理与技术仍是世界空白。
随时随地讨论总结、日夜不停做实验搞分析、轮班彻夜观察设备运行……是谢和平院士海水制氢研究团队突破技术难题时的常见状态。
▲谢和平院士海水制氢团队日常的讨论会
研究团队查阅近五十年海水直接电解制氢的文献，近乎99%以上都是一个方案——催化剂改性。刘涛告诉记者：“这也是我们一开始着手的方案，但我们对催化剂材料知之甚少，进展也很缓慢。”期间，谢和平院士鼓励大家跳出传统思维模式，首次开创了将物理力学与电化学相结合的全新思想，提出了相变迁移驱动的海水直接电解制氢原理与技术。
2021年研究团队验证了将物理力学与电化学相结合的海水直接电解制氢全新思路是可行的，但进一步研究就遇到了非常头疼和棘手的问题，怎么实现体系的高效性和稳定性？为了克服这个难题，谢和平院士那段时间每天组织大家开会讨论、制定实验方案，寻找解决问题的突破口，不分昼夜几乎无休地寻找原因。除了身体上的疲惫，精神上的不安和焦虑更加磨人。
想要突破长达半世纪的科学难题、取得具有颠覆性意义的科研成果是满途荆棘的，在这种紧张的节奏中，谢和平院士海水制氢团队的所有研究人员鼓足干劲共同努力，终于在2021年6月，取得了突破性的进展。其研究成果于2022年11月成功发表在《Nature》期刊上。
随着技术深度挖掘和应用拓展，后续还会遇到许多工程化难题，例如：如何在大体量下控制优化海水迁移过程？如何与现有工业成熟电解系统匹配耦合？未来的挑战还在继续。
氢气生产实现零污染，技术原理可用于其它非纯水能源化
氢能被认为是未来能源结构体系的核心，其能量密度大、清洁、高效、无碳排放，是实现减碳最有效的能源替代产品之一。刘涛告诉记者，现在由于海上风电等可再生能源难利用，弃风弃电多，加上海上电力输送成本高、损耗大，若是能利用海上可再生能源转化为氢能，将大幅降低输送成本，有望成为未来深远海可再生能源开发的破局关键。
据了解，关于氢气氢能的应用，当下比较热门的研究是氢气可替代焦炭作为还原剂应用于冶金行业；而氢气的燃烧或氧化过程可以释放能量，例如用于氢燃料电池，目前已经有商业化的氢能源汽车、重卡、邮轮等等。随着氢气生产和氢能应用的持续发展，相关的应用将在人们的生活中变得更加常见。
此外，氢气的储运也是需要攻关的研究方向，氢气储存的高压储罐材料及类型同国际先进水平仍有一定差距，若是氢气储运成本较高，这就会进一步提高氢气的使用成本。
现阶段，谢和平院士海水制氢团队研制了全球首套400L/h海水原位直接电解制氢技术与装备，已经在深圳湾海水中连续运行超3200小时，无污染和催化剂腐蚀，在真实海水中实现了原位、稳定、规模化的制氢过程。
▲谢和平院士正在指导学生
海水无淡化原位直接电解制氢技术不仅减碳还环保。刘涛介绍到，技术装备在使用过程中，主要是通过分解水来产生氢气和氧气，零污染制氢。同时相比于先淡化后制氢的传统电解水模式，该技术省去了先淡化过程，也避免了淡化后产生的高浓、高温盐水的污染排放等问题。更具潜力的是，该项技术包含的相变迁移机制，实质上就是从非纯水中捕获纯净水的过程，因此，它也可以用于其它的一些非常规水资源，例如河水、湖水、工业废水等，实现非纯水的资源化、能源化双效利用。
红星新闻记者 叶燕 实习记者 胥婷 图据东方电气、四川大学新能源与低碳技术研究院
编辑 谭王雨
