氢能作为全球公认最清洁的二次能源之一，被列为实现脱碳的重要途径。
海洋占全球储水量的96%以上，就像一个巨大的氢矿。使用海上可再生能源作为输入的海水电解为化石燃料的不可持续利用提供了一种很有前途的替代方案。
海水制氢是一种利用海水中的水分子进行电解反应产生氢气的技术。目前海水制氢已被视为一种可再生能源的替代解决方案。不过用电解水分解产生氢气和氧气所需的能量巨大，每制取1kg氢气要消耗大约50 kWh电能，耗去淡水大概22 kg，制氢的一个主要挑战就是高电能消耗。
目前海水制氢主要通过电解、光解或者双膜方式，具有资源丰富、环保、生产效率高、安全等优势，但也面临着催化剂的选择、电解效率的提高、设备的耐腐蚀性等挑战。
目前，间接海水电解（预脱盐后的海水电解）已在多个示范项目中得到应用。2017年，日本丰田汽车公司开发了世界上第一艘以氢燃料为动力的船舶Energy Observer，其中通过海水电解产生氢气；2019 年，Tractebel Overdick 提出了一个使用海上风电作为能源输入的制氢平台；2022 年，Sealhyf 被发现可以在海洋中产生绿色氢气1，该系统配备了一个 1 MW 的 PEM 电解槽，每天能够生产 400 公斤氢气。这些示范项目表明，预脱盐和传统电解槽的耦合可能是在海洋中产生氢气的可行解决方案。然而，使用净化系统去除杂质离子可能会增加能源消耗和工程成本，使海洋中的原位制氢变得困难。
直接海水电解消除了对额外水净化过程的需求，为海洋制氢提供了一条有吸引力的途径，但仍存在许多挑战。海水的成分很复杂，含有至少92种元素，其中许多元素会对电解产生重大的负面影响。例如，氯氧化反应不仅与析氧反应竞争，降低制氢效率，而且还释放出有毒的Cl2，可能导致电解系统严重腐蚀;不溶性物质如Mg（OH）的沉积和粘附2和 Ca（OH）2电解过程中产生的离子体会削弱膜的传递函数，导致催化剂快速失活。此外，海水中性环境和较低的离子电导率限制了电解，更重要的是，由于各种因素（如地理位置和季节变化）导致的海水成分变化给设计海水电解槽带来了重大挑战。
直接海水电解的概念是在 1970 年代提出的，科学家们已经开发了许多涉及催化剂工程的策略，尽管这些策略在特定情况下的实验室环境中显示出有希望的结果，但目前尚无直接进行原位海水电解的报道。此外，在海洋环境中使用可再生能源直接海水电解的设计和实施在很大程度上仍未得到探索。
中国率先实现海上风电驱动海水制氢
近日，中国科研团队在海水制氢领域取得重大突破，成功实现海上风电驱动海水直接电解制氢技术。
中国工程院院士、深圳大学教授谢和平团队与东方电气集团团队合作，首次实现海上风电可再生能源和海水直接电解制氢一体化，并在大海中利用海上风电驱动海水制氢。相关研究成果6月21日发表于《自然·通讯》。
这一技术不仅破解了半个世纪以来海水直接电解制氢的难题，还实现了高达99.9%的氢气纯度，为可持续能源产业和燃料经济开辟了新路径。
a 由UPS模块、电流转换模块、海水电解模块、H组成的整个系统图示2检测模块和运输模块。b 设备过程图（I = 电流值，U = 电压值，Q = 流量值）。c 浮动平台内部空间照片。d 与海洋相连的海水舱示意图。
a 风力涡轮机网络示意图。风力涡轮机产生的电力进入增压站。当特定的风力涡轮机无法在无风环境中发电时，升压站会向该风力涡轮机输入能量以进行启动和运行。b 涡轮机功率随风速的波动。在500 min内，风力发电机组的最大输出功率是最低水平的4倍以上。c 浮动平台在波动环境下的压力和应力分布。d 海洋中浮动平台的方向。e 海上试验期间风向玫瑰图。f 海洋中的风力涡轮机网络和原位直接海水电解平台的照片。（风玫瑰图是气象科学专业统计图表,用来统计某个地区一段时期内风向、风速发生频率，又分为“风向玫瑰图”和“风速玫瑰图” ；因图形似玫瑰花朵，故名。风玫瑰图对于涉及城市规划、环保、风力发电等领域有着重要的意义。）
传统的海水制氢技术依赖于淡化预处理，不仅工艺复杂，还占用大量土地资源，推高了制氢成本。谢和平院士团队的创新技术，通过海上风电可再生能源与海水直接电解制氢一体化，有效解决了这些问题。
a 由水相变迁移机制驱动的海水电解。b 兴化湾和深圳湾的离子浓度。c 不同海水和SDE浓度下的水蒸气压差。d 不同海浪模式下水迁移质量随时间的变化。恒定模式：稳定连续输出水流量;脉冲模式：间歇性输出水流;潮汐模式：水流输出从低值到高值循环;湍流：水流的随机输出。e 脉冲模式下不同波高的平均水迁移速率。MoNi/NF阳极催化剂（f）和PTFE膜（g）电解前后的SEM图像。所有误差线都表示三次测量时的标准偏差。
a 兴化湾的温度和相对湿度的变化。每 4 小时记录一次数据。2023年5月17日至2023年5月26日期间的风速（b）和波高（c）。每4 h记录一次数据。d 海水电解系统（1#）在不受控制的波动海洋环境中的稳定性。e SDE和兴化湾海水的平均离子浓度。催化剂（f）和PTFE膜（g）在波动的海洋中电解后的SEM图像。h 电解后聚四氟乙烯膜的接触角。i PTFE 膜在使用 10 天前后的水迁移行为。所有误差线都表示三次测量时的标准偏差。
该团队基于2022年11月在《自然》发表的“海水直接电解制氢全新原理”，构建出真实大海不可控海洋波动环境下海水直接制氢全新路径与技术，并系统研究不同海水组分（广东省深圳湾、福建省兴化湾）浓度变化所导致界面蒸气压差差异，阐明浓度动态变化下相变迁移过程的自调控自适应机制。
（2022年11月，中国工程院院士谢和平团队在《自然》杂志发表论文，以分子扩散、界面相平衡等物理力学与电化学相结合的全新思路，建立了相变迁移驱动的海水无淡化原位直接电解制氢全新原理与技术。此项技术隔开了海水离子通道，基本达到了无淡化过程、无副反应、无额外能耗的效果，高效实现了在海水里原位直接电解制氢，省去了海水淡化这一流程。该项目第二步计划是实现规模化，研制大容量商业化电解槽，第三步是实现产业化。）
团队自主研制的样机在深圳湾海水中连续稳定运行超过3200小时，验证了技术的成熟度。
进一步的海上试验在福建省兴化湾进行，利用海上风电驱动，实现了连续10天的稳定运行，海水杂质离子阻隔率高达99.99%以上，制氢纯度达到99.9%-99.99%。
氢能源为经济社会发展注入强劲动力
（中国工程院院士、深圳大学特聘教授 谢和平）
作为能源，氢的优势十分突出。一是，氢元素分布广泛，约占宇宙物质总量的81.75%，在地球水体中储量丰富；二是，氢气的燃烧热值高，是汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍；三是，氢气燃烧的产物只有一种——水。来源丰富，能量密度高，清洁无污染，集三重优势于一身，在倡导绿色发展的今天，氢能源的开发与利用受到前所未有的重视。
近年来，我国氢能技术及产业快速发展：首列氢能源市域列车完成达速试跑，海水直接制氢技术在福建海试成功，《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》《氢能产业标准体系建设指南（2023版）》等陆续推出……氢能作为清洁能源，为经济社会发展注入强劲动力，也成为深受关注的科技话题。
既是清洁能源，也是“多彩”能源
氢元素并不等于氢能源。从人类利用氢能的广义角度来看，太阳质量的72%是氢，它几十亿年来通过持续不断的热核聚变，把氢中的能量转换成光能，源源不断地送达地球，驱动地球上的物质循环与能量循环，孕育了地球上的生命。而我们日常生产生活中用到的氢能，主要是氢和氧进行化学反应释放出的化学能。
数百年来，人类从未停止对耗、低成本氢能制取技术的探索。因为地球上的氢元素只占地球总质量的0.76%，其中氢单质，也就是氢分子的赋存更是极其稀少，所以人类无法像勘探开采石油和煤炭那样轻易找到“氢矿”，而要通过科技手段来制取氢气。19世纪后，氢燃料动力火箭把人类带入瑰丽的太空，氢燃料电池技术的出现则让“氢—电”直接转换成为可能。直到今天，科学家仍在努力将地球上的太阳能、风能、海洋能等可再生能源，再度转化为氢这一清洁、高密度的能源形式。
氢能是“多彩”的。根据不同制取方式，氢能可分为绿氢、灰氢、蓝氢、紫氢、金氢等。其中，灰氢来自煤炭制氢、天然气制氢、工业副产氢气，属于直接制氢，成本较低，但需要消耗煤、天然气等化石能源，会产生大量二氧化碳。目前，灰氢产量约占全球氢气产量的九成以上。蓝氢则是在灰氢基础上，将制备过程中排放的二氧化碳副产品捕获、利用和封存，更加环保。紫氢是利用核能进行大规模电解水制氢。近年来，地质学家还发现了金氢，它由地下水与地下橄榄石（一种呈绿色的镁铁硅酸盐）等矿物相互作用，使水被还原为氧气和氢气。在这一过程中，氧气与矿物中的铁结合，氢气则逃逸到周围的岩石中，并利用地下矿石的石化过程不断再生氢气。金氢因其地质储藏勘测和开采难度极大，目前尚未得到充分开发利用。
最为重要的绿氢，是通过风能或太阳能等可再生清洁能源发电，再利用这些清洁电能，以电解水方式制取氢气。绿氢在制取过程中基本不产生温室气体，是目前氢能发展的主要趋势。放眼世界，绿氢成为各国清洁能源转型的重要一环，不少国家出台了相关政策，鼓励建设大规模绿氢供应链。2023年8月，我国首个万吨级光伏发电直接制绿氢项目——新疆库车绿氢示范项目全面建成投产，每年可生产2万吨绿氢，减少二氧化碳排放约48.5万吨。
储用结合，丰富利用手段
解决了氢能的来源和制取成本问题，就要考虑如何把氢能送达各类应用场景并创新氢能利用方式。储存和运输，始终是人类能源利用的技术课题。氢气密度小、易燃烧，因而储运成本高，存在安全风险，长期以来影响着氢能利用。为此，科学家们正尝试将氢转化为易储易运的氨或甲醇，进而实现绿氢大规模应用。比如，以经典的哈伯—博施工艺借助氮气及氢气制取氨气，或利用新兴的电化学常压耗合成氨技术，实现“氢氨融合”，丰富了化肥、工业等传统用氨行业及绿氨掺混发电、绿色船用燃料等下游新兴领域的能源供给。另外，利用绿氢和二氧化碳合成绿色甲醇，也能实现氢能整体的全周期近零排放。目前全球市场对绿色甲醇、绿氨、生物柴油等绿色清洁液体燃料需求巨大，相关产业总产能有待进一步提高，绿色清洁液体燃料前景广阔，有望成为更具经济性的绿氢消纳利用新路径。
除了作为化工原料（如石油炼化、合成氨、合成甲醇）和工业工艺气体（如钢铁、半导体行业还原剂）等传统使用方式外，绿氢还可以作为能源、燃料来使用。氢燃料电池是目前被广泛看好的氢能利用路线。氢燃料电池汽车具备零排放、零污染、无噪声、补充燃料快、续航能力强等优势。2022年北京冬奥会期间，超过1000辆氢能源汽车投入使用，并配备了30多个加氢站，这是迄今为止氢燃料电池汽车在全球最大规模的集中示范运营。
在新技术加持下，氢能交通工具可以实现风、光、水到氢再到水的“无碳物质闭环”，构成绿色发展的一次次清洁能量循环。比如氢能源市域列车，以每天500公里里程计，每年大约可减少10余吨二氧化碳排放。未来，氢能大巴、氢能重卡、氢动力船舶、氢动力无人机等都可能出现，氢能交通工具也有望与其他新能源交通工具一道，构筑城乡发展的运力网络。
展望未来，在实现“双碳”目标的过程中，氢能源将在交通、工业、建筑、电力、国防、航空航天等领域发挥更大作用。这需要科研工作者和一线企业共同努力，开发氢能制取、储存、运输、利用等一系列新技术。时不我待，元素周期表上的第一个名字，还有许多奥秘等待我们去探索发现。
部分素材来源：国家能源局、深圳大学
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