海水制氢技术新进展

图 利用海水生产氢气燃料的策略。

a) 开发了电解海水的技术-利用电力将水（H₂O）分成氢气（H₂）和氧气（O₂）。

b) 一个缩小的海水电解系统每小时产生386 L的氢气，设计紧凑。它在3200小时内表现出稳定的性能。在长期运行后，没有发现电解系统中的杂质明显增加。

专家们认为，使用可再生电力将水分成氢气和氧气是生产氢气燃料的最清洁途径。但是我们生活的世界中，清洁的水是一种珍贵的商品，世界上三分之一的人都不容易获得。中国的研究人员现在已经制造了一个可以直接分离海水来制造氢燃料的装置。

发表在《Nature》期刊上的A practical method for splitting seawater into hydrogen fuel研究成果对这一装置进行了报道，该装置的开发者说，它可以提供一个可持续的、实用的制氢途径。中国南京工业大学化学工程系教授邵宗平说："我们的策略以类似于淡水分离的方式实现了高效、尺寸灵活和可扩展的直接海水电解，而操作成本没有明显增加。

目前90%以上的氢气是由化石燃料生产的，在这个过程中导致了大量的二氧化碳排放。海洋可以成为廉价、无排放氢气的无尽来源。但是，用今天的电解设备分解海水是很困难的。

电解槽有两个涂有催化剂的电极，使电流通过水。当气体从两边的水中冒出时，一层膜将氢气和氧气分开。但是海水中的杂质会引起副反应和腐蚀。具体来说，阳极催化剂会将海水中的氯离子转化为氯气。氯气是一种极度反应性和腐蚀性的气体，它可以使催化剂和电极退化，缩短设备的使用寿命。海水中的其他离子，如镁和钙，也会与催化剂发生反应，并形成副产品，可能会阻塞膜。此外，所有这些副反应会降低电解槽的效率。

去除海水中的盐分和杂质是解决这个问题的一个方法，但是海水淡化和净化需要大量的能源，而且价格昂贵。在过去，研究人员也曾尝试在催化剂上涂覆涂层以防止这些副反应。邵宗平教授说，这种方法取得了一定的效果，但并不真正实用。其他研究人员已经制造了小型实验室规模的太阳能电解装置，它是无膜的，但它们通常需要泵。

南京工业大学的邵宗平教授、深圳大学的谢和平教授以及他们的同事选择保留膜。他们重新设计了电解系统，使离子和杂质远离电极，这样就不会出现副作用或腐蚀。在他们的设备中，两个电极被一层薄膜隔开，使氧气和氢气分开，浸入浓缩的氢氧化钾电解液中。多孔膜将电解质和海水分开，每一侧都有多孔膜。富含氟的膜将液态水挡在外面，但让水蒸气通过。当电流通过电极时，电解液溶液中的水就会被分解。溶液的浓度进一步增加，在电解质和膜外面的海水之间产生了压力差。这导致海水自发蒸发，水蒸气通过膜扩散到电解质中，在那里它又变成了液态水，补充了之前被电解的水。

通过这种方式，在电极上电解水可以保持清洁的水不断流向电极，同时将海水中的离子和其他杂质挡在膜的外面。"因此，不需要额外的能量来确保水进入系统，"邵宗平教授说，"这意味着我们的电解槽的能源消耗与工业碱性电解槽的能源消耗相似。膜的成本非常低，而且它具有较好的防污性能"。

为了展示该设计的实用性，该团队制作了一个包含11个电解池的示范装置。他们使用来自深圳湾的真实海水对其进行了测试。该系统按照预期工作了130多天，没有出现故障，每小时生产386 L氢气。研究人员现在正试图提高该系统的效率。他们说可以通过尝试氢氧化钾以外的电解质，以及不同的电极和催化剂材料来提高性能。邵宗平教授说，他们的设备可用于生产氢气，同时从水中回收有用的资源，如锂。而且它还可以扩展到氢气生产以外的应用，如清理工业废水。