海水制氢是什么？为什么这么备受关注？它有哪些技术难点？

6月2日，谢和平院士的团队与东方电气集团合作，在福建兴化湾的海上风电场成功实施了全球首次海上风电无淡化海水原位直接电解制氢技术的中试。

为什么海水直接电解制氢的中试成功备受关注？这有神难度吗？海水电解制氢所面临的技术难点是什么？

海水制氢

水电解制氢是一项非常重要的绿氢制备技术，目前大多数已商业化的水电解技术都是使用淡水作为电解液。但是，全球的淡水资源非常有限，随着水电解制氢技术的广泛应用，这无疑会加剧淡水资源短缺的问题。相比之下，海水资源是十分丰富的，因此产生了利用海水制氢的想法。

地球上96.5%的水是海水，与淡水不同，其成分异常复杂，包括超过90种化学物质和元素。海水中含有丰富的离子、微生物和颗粒等物质，制取氢气时会引起副反应竞争、催化剂失活以及隔膜堵塞等问题。

因此，利用海水来制取氢气的技术有两种不同的方法。第一种是直接使用海水来制取氢气，主要是通过电解或光解的方式来实现。第二种是间接使用海水来制取氢气，需要对海水进行除盐和除杂处理，将海水变成高纯度的淡水，然后再进行制氢。

两大优势

海上制氢平台具有多重功能，可以实现能源的长期储存和精细化学品的生产。它能够将绿色能源与化工生产系统紧密结合，发挥出最大的效益。

未来，在深远海区域，可以利用海上制氢平台来解决可再生电力的消纳难题。这样一来，就能够用可再生电力制氢、制绿氨，有望成为未来深远海可再生能源的主要应用方式。

技术难点

第一个技术难点是海水中存在大量杂质会影响阴极析氢的发生。

在电解水的过程中，H2会从阴极析出。对于阴极析氢反应，最大的问题是天然海水中含有各种溶解的阳离子，如Na+、Mg2+、Ca2+等，此外还有多种细菌、微生物和微小颗粒等。

海水电解过程中，这些杂质会引起电极堵塞，进而对电解系统中的电极和催化剂造成毒害或加速老化，导致它们的耐久性变差。

第二个技术难点是氯离子导致阳极发生腐蚀，并影响阳极析氧反应。

在电解水的过程中，一般来说，氧气（O2）会从阳极产生。然而，在海水中存在大量氯离子（Cl-），这会导致阳极材料受到严重的腐蚀，进而损坏电极并使电压过高，从而中断高效的氧气产生反应。此外，高浓度的氯离子还会在阳极上发生氯氧化反应，占据催化剂的活性位点，进而降低阳极氧气产生反应的效率。

第三个技术难点是阳极析氧反应和氧氯化反应的竞争问题。

在海水电解的过程中，阳极会发生两种反应，分别是析氧反应(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)。

可以看到，这两者的E0非常相近，因此它们之间会产生竞争关系，从而严重限制了电解槽工作的电压。此外，氧氯化反应和次氯酸盐形成均为二电子反应，与析氧反应需要的四电子相比，氯氧化反应在动力学上更容易进行。因此，通常观察到的OER过电位比ClOR高。

研究现状

目前，光解海水制氢仍处于早期研究和试验阶段，面临着诸多挑战。相比之下，海水电解制氢的研发已经取得了一定的进展。在2022年，谢和平院士领导的团队在海水直接制氢领域取得了重大的原创突破，他们创新地提出了相变迁移驱动的海水无淡化原位直接电解制氢的全新原理与技术。目前国内外出现了一些海水制氢的示范项目，但这些项目仍然是小规模的试点项目，并且大多数还处于在建或拟建的阶段。

尽管海水电解制氢从小试、中试到最终工业上的广泛应用还有许多挑战需要克服，但我们坚信，一旦这项技术得以最终应用，它将对“脱碳”之路产生最具影响力的效果！