谢和平院士团队在Nature发表论文 开创海水原位直接电解制氢全新路径

huigui

近日，我校谢和平院士团队在海水直接制氢领域取得重大原创突破，在Nature上发表了一篇题为“A membrane-based seawater electrolyzer for hydrogen generation”的研究论文。谢和平院士为本文第一兼通讯作者，我校新能源与低碳技术研究院与深圳大学深地科学与绿色能源研究院为共同通讯单位。
        绿色零碳氢能是未来能源发展的重要方向，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。但复杂的海水成分（约92种化学元素）导致海水制氢面临诸多难题与挑战。先淡化后制氢是当前最成熟的海水制氢技术路径，但该类技术严重依赖大规模淡化设备，工艺流程复杂且占用大量土地资源，进一步推高了制氢成本与工程建设难度。上世纪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，美国斯坦福大学、法国国家科学研究中心、澳大利亚阿德莱德大学、中国科学院等国内外知名研究团队通过催化剂工程、膜材料科学等手段进行了大量探索研究，旨在破解海水直接电解制氢面临的析氯副反应、钙镁沉淀、催化剂失活等难题。然而，迄今为止，未有突破性的理论与原理彻底避免海水复杂组分对电解制氢的影响，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。

海水无淡化

        该研究中，谢和平院士首次从物理力学与电化学相结合的全新思路，破解海水直接电解制氢面临的难题与挑战。创造性地开创了海水无淡化原位直接电解制氢全新原理与技术，彻底隔绝海水离子实现了无淡化过程、无副反应、无额外能耗的海水原位直接电解高效制氢原理与技术重大原创突破（即把海水当纯净水用，在海水里直接原位电解制氢）。研究通过将分子扩散、界面相平衡等物理力学过程与电化学反应巧妙结合，建立了相变迁移驱动的海水直接电解制氢理论模型，揭示了微米级气隙通路下界面压力差对海水自发相变传质的影响机制，形成了电化学反应协同海水迁移的动态自调节稳定电解制氢方法，破解了有害腐蚀性这一困扰海水电解制氢领域的半世纪难题。（已申请专利：CN2021110197054；CN114481164A；CN2022110704439；CN2022110748884；PCT/CN2022/128225）。与此同时，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，在深圳湾海水中连续运行超3200小时，从海水中实现了稳定和规模化制氢过程。此外，该原理技术可探索推广到多元化水资源（如河水、废水、盐湖等）直接原位制氢，为资源富集浓缩与能源生产提供多效利用新思路。正如《Nature》审稿人对该研究给予的高度评价：“这项工作提供了一种有吸引力的策略，可以将非饮用水用于社会和生态中可持续燃料的生产，我认为这是一个重大突破。”
        该技术可集“海上风电等可再生能源利用-海水资源利用-氢能生产”为一体，可望形成无淡化、无额外催化剂工程、无海水输运、无污染处理的原位海水直接电解制氢全新模式，真正意义上将取之不尽的“海水资源”转化为“海水能源”。该技术未来可构建与海上可再生能源相结合的一体化原位海水制氢工厂，有望成为深远海可再生电力大规模开发的破局关键，加速推进形成多能互补的中国原创“海洋绿氢”全球新兴战略产业。正如《Nature》评审专家所评述：“很少有论文能够令人信服地从海水中实现规模化稳定制氢，但该论文的工作恰恰做到了这一点。他们完美的解决了有害腐蚀性这一长期困扰海水制氢领域的问题，将打开低成本燃料生产的大门，有望推动变革走向更可持续的世界。”
        论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05379-5
            文章来源：四川大学
        谢和平，男，1956年1月生于湖南省双峰县，中共党员，中国工程院院士，四川大学校长。1982年于中国矿业大学数学力学系获学士学位，1982-1987年于中国矿业大学北京研究生部获力学硕士、博士学位。多次赴国外大学访问讲学，担任国务院学科评议组成员，获得国家自然科学基金委“创新研究群体”项目(编号：50221402)首席科学家等10余项学术荣誉和奖励。主持完成了15项国家和省部级重要科研项目，2000年获国家科技进步二等奖，1995年获国家自然科学三等奖，1999年获国家科技进步三等奖和煤炭科技进步特等奖，2001年获中国高校自然科学一等奖，1998年获煤炭科技进步一等奖和教育部科技进步二等奖，1996年获教育部科技进步二等奖，1991年获国家教委科技进步一等奖。出版有《Fractals in Rock Mechanics》、《岩石混凝土损伤力学》、《分形~岩石力学导论》中英文学术专著3部，及《分形应用中的数学基础与方法》、《分形几何：数学基础与应用》编著2部，主编有《跨世纪的矿业科学与高新技术》等文集5部。在《Int.J.Rock Mech.Min.Sci.》，《中国科学》等十余种国内外有重要影响的学术刊物上发表研究论文发表论文200余篇。其中SCI收录34篇、引用300余次，EI收录50篇。