該研究首次從物理力學(xué)與電化學(xué)相結(jié)合的全新思路，建立了相變遷移驅(qū)動(dòng)的海水無(wú)淡化原位直接電解制氫全新原理與技術(shù)，另辟蹊徑，徹底隔絕海水離子同時(shí)實(shí)現(xiàn)了無(wú)淡化過(guò)程、無(wú)副反應(yīng)、無(wú)額外能耗的高效海水原位直接電解制氫技術(shù)突破（即把海水當(dāng)純凈水用，在海水里直接原位電解制氫），破解了海水直接電解制氫半世紀(jì)難題，可望形成中國(guó)原創(chuàng)的“海洋綠氫”全球新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。

相變遷移驅(qū)動(dòng)的海水無(wú)淡化原位直接電解制氫原理

正如《Nature》評(píng)審專家所評(píng)述：“很少有論文能夠令人信服地從海水中實(shí)現(xiàn)規(guī)模化穩(wěn)定制氫，但該論文的工作恰恰做到了這一點(diǎn)。他們完美的解決了有害腐蝕性這一長(zhǎng)期困擾海水制氫領(lǐng)域的問(wèn)題，將打開(kāi)低成本燃料生產(chǎn)的大門(mén)，有望推動(dòng)變革走向更可持續(xù)的世界。”

海水無(wú)淡化原位直接電解制氫規(guī)模化技術(shù)裝備及穩(wěn)定性

綠色零碳?xì)淠苁俏磥?lái)能源發(fā)展的重要方向，隨著氫能爆發(fā)式增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2060年，我國(guó)氫氣年需求量將達(dá)1.3億噸，屆時(shí)每年需要消耗約11.7億噸電解用純水。然而，淡水資源緊缺將嚴(yán)重制約“綠氫”技術(shù)的發(fā)展。海洋是地球上最大的氫礦，向大海要水是未來(lái)氫能發(fā)展的重要方向。但復(fù)雜的海水成分（約92種化學(xué)元素）導(dǎo)致海水制氫面臨諸多難題與挑戰(zhàn)。先淡化后制氫是當(dāng)前最成熟的海水制氫技術(shù)路徑，目前已在全球多國(guó)開(kāi)展規(guī)模化示范工程項(xiàng)目。但該類技術(shù)嚴(yán)重依賴大規(guī)模淡化設(shè)備，工藝流程復(fù)雜且占用大量土地資源，進(jìn)一步推高了制氫成本與工程建設(shè)難度。

上世紀(jì)70年代初有科學(xué)家提出：海水可否直接電解制氫？半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，美國(guó)斯坦福大學(xué)、法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心、澳大利亞阿德萊德大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院等國(guó)內(nèi)外知名研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)催化劑工程、膜材料科學(xué)等手段進(jìn)行了大量探索研究，旨在破解海水直接電解制氫面臨的析氯副反應(yīng)、鈣鎂沉淀、催化劑失活等難題。然而，迄今為止，未有突破性的理論與原理徹底避免海水復(fù)雜組分對(duì)電解制氫的影響，可規(guī)模化的高效穩(wěn)定海水直接電解制氫原理與技術(shù)仍是世界空白。

謝和平院士提出了從物理力學(xué)與電化學(xué)相結(jié)合的全新思路破解海水直接電解制氫面臨的難題與挑戰(zhàn)，從而創(chuàng)造性地開(kāi)創(chuàng)了海水無(wú)淡化原位直接電解制氫新原理與技術(shù)。通過(guò)將分子擴(kuò)散、界面相平衡等物理力學(xué)過(guò)程與電化學(xué)反應(yīng)巧妙結(jié)合，建立了相變遷移驅(qū)動(dòng)的海水直接電解制氫理論模型，揭示了微米級(jí)氣隙通路下界面壓力差對(duì)海水自發(fā)相變傳質(zhì)的影響機(jī)制，形成了電化學(xué)反應(yīng)協(xié)同海水遷移的動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)穩(wěn)定電解制氫方法，破解了有害腐蝕性這一困擾海水電解制氫領(lǐng)域的半世紀(jì)難題（已申請(qǐng)專利：CN2021110197054；CN114481164A；CN2022110704439；CN2022110748884；PCT/CN2022/128225）。

與此同時(shí)，研制了全球首套400L/h海水原位直接電解制氫技術(shù)與裝備，在深圳灣海水中連續(xù)運(yùn)行超3200小時(shí)，令人信服的從海水中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定和規(guī)模化制氫過(guò)程！此外，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了酸性和堿性固態(tài)凝膠電解質(zhì)，以表明相變遷移策略適配不同電解質(zhì)材料并有望伴隨PEM和AEM電解技術(shù)迭代發(fā)展。同時(shí)，該原理技術(shù)可探索推廣到多元化水資源（如河水、廢水、鹽湖等）直接原位制氫，為資源富集濃縮與能源生產(chǎn)提供多效利用新思路。

正如《Nature》審稿人對(duì)該研究給予的高度評(píng)價(jià)：“這項(xiàng)工作提供了一種有吸引力的策略，可以將非飲用水用于社會(huì)和生態(tài)中可持續(xù)燃料的生產(chǎn)，我認(rèn)為這是一個(gè)重大突破。”

“海水無(wú)淡化原位直接電解制氫”融匯多學(xué)科理論，是我國(guó)自主研發(fā)的原創(chuàng)性原理與技術(shù)突破，開(kāi)辟了全球海水制氫的全新路徑；該技術(shù)可集“海上風(fēng)電等可再生能源利用-海水資源利用-氫能生產(chǎn)”為一體，可望形成無(wú)淡化、無(wú)額外催化劑工程、無(wú)海水輸運(yùn)、無(wú)污染處理的原位海水直接電解制氫全新模式，真正意義上將取之不盡的“海水資源”轉(zhuǎn)化為“海水能源”。該技術(shù)未來(lái)可構(gòu)建與海上可再生能源相結(jié)合的一體化原位海水制氫工廠，有望成為深遠(yuǎn)海可再生電力大規(guī)模開(kāi)發(fā)的破局關(guān)鍵，加速推進(jìn)形成多能互補(bǔ)的中國(guó)原創(chuàng)“海洋綠氫”全球新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05379-5