深圳大學(xué)謝和平院士團(tuán)隊(duì)海水制氫成果再登《自然》子刊

6月21日，深圳大學(xué)謝和平院士團(tuán)隊(duì)在Nature Communications上發(fā)表了題為“In-situ direct seawater electrolysis using floating platform in ocean with uncontrollable wave motion”的研究成果。

該研究基于謝和平院士團(tuán)隊(duì)2022年11月30日在Nature上發(fā)文開(kāi)創(chuàng)的相變遷移海水直接電解制氫全新原理與技術(shù)，圍繞在真實(shí)大海中實(shí)現(xiàn)海水直接制氫面臨的海水多場(chǎng)耦合復(fù)雜工況帶來(lái)的波動(dòng)性等科學(xué)難題與工程空白，提出了抵抗真實(shí)大海不可控海洋波動(dòng)環(huán)境的海水直接制氫全新路徑與技術(shù)；系統(tǒng)研究了不同海水組分（深圳灣、興化灣）濃度變化導(dǎo)致的界面蒸氣壓差差異，闡明了濃度動(dòng)態(tài)變化下相變遷移過(guò)程的自調(diào)控自適應(yīng)機(jī)制；首次揭示了在不同海浪波形（恒流、亂流等）、波高、波寬條件下的相變遷移過(guò)程規(guī)律與影響機(jī)制，表明了在海浪一定程度沖擊下有利于防止界面濃度極化從而提升相變傳質(zhì)效果；基于界面?zhèn)髻|(zhì)面積動(dòng)態(tài)變化規(guī)律建立了真實(shí)海浪波動(dòng)下的相變遷移海水制氫理論模型，并在實(shí)驗(yàn)室模擬海洋環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了500h以上穩(wěn)定性，未發(fā)生催化劑腐蝕、毒性和腐蝕性，充分驗(yàn)證了電解系統(tǒng)、防水透氣層等核心關(guān)鍵部件在復(fù)雜環(huán)境下的耐受性與抵御能力，為在真實(shí)大海不可控波動(dòng)環(huán)境下規(guī)模化海水直接電解制氫提供了理論指導(dǎo)并奠定未來(lái)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展基礎(chǔ)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證相變遷移海水制氫技術(shù)在真實(shí)大海中的可行性可靠性，謝和平院士團(tuán)隊(duì)與東方電氣集團(tuán)聯(lián)合設(shè)計(jì)研制了1.2 Nm3/h海上可再生能源海水無(wú)淡化原位直接電解制氫漂浮平臺(tái)，在福建省興化灣3-8級(jí)大風(fēng)、0.3-0.9米海浪干擾下，首次與海上風(fēng)電直接對(duì)接，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行10天，海水雜質(zhì)離子阻隔率高達(dá)99.99%以上，制氫純度達(dá)到99.9%-99.99%，首次構(gòu)建了與再生能源相結(jié)合的一體化海水直接制氫全新模式，有望打造全球海上可再生能源直接海水制氫新賽道！

全球首個(gè)海上風(fēng)電海水無(wú)淡化原位直接電解制氫海試成功

向大海要水來(lái)制氫是未來(lái)發(fā)展的重要方向。先淡化預(yù)處理后制氫是當(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呢？這半個(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)外知名院校的研究團(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)電解槽制氫的影響，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！

針對(duì)前述挑戰(zhàn)，謝和平院士團(tuán)隊(duì)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)結(jié)合，開(kāi)創(chuàng)了海水原位直接電解制氫全新原理與技術(shù)（Nature, 2022, 612(7941): 673-678.），建立了氣液界面相變自遷移自驅(qū)動(dòng)的海水直接電解制氫理論方法，形成了界面壓力差海水自發(fā)相變傳質(zhì)的力學(xué)驅(qū)動(dòng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了無(wú)額外能耗的電化學(xué)反應(yīng)協(xié)同海水遷移的動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)穩(wěn)定海水直接電解制氫。自主研制的386 L/h H2原理樣機(jī)在深圳灣海水中穩(wěn)定制氫超3200小時(shí)，全面解決了多年困擾科技界和產(chǎn)業(yè)界的難題；完美破解了海水電解制氫領(lǐng)域的半世紀(jì)難題，實(shí)現(xiàn)了把取之不盡的海水當(dāng)純水一樣直接用于電解制氫。該技術(shù)被評(píng)為2022年中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展。

基于這一全新原理與技術(shù)，東方電氣集團(tuán)與謝和平院士團(tuán)隊(duì)專門研制了漂浮式海上制氫平臺(tái)（9m×7m×3.5m）以及海上風(fēng)電智慧穩(wěn)定供電系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)了海上風(fēng)電可再生能源和海水直接制氫的一體化技術(shù)，在真實(shí)大海中利用海上風(fēng)電驅(qū)動(dòng)海水制氫，突破了海上復(fù)雜環(huán)境、風(fēng)電波動(dòng)性對(duì)海水直接制氫的影響，形成了抗海洋復(fù)雜環(huán)境的相變遷移海水直接制氫原理技術(shù)，建立了針對(duì)海洋波動(dòng)環(huán)境的相變遷移模型并研究了波動(dòng)性海浪對(duì)相變遷移過(guò)程的影響，提出了可再生能源海水制氫漂浮平臺(tái)的設(shè)計(jì)策略，驗(yàn)證了自主研發(fā)的全球首套海水直接制氫裝備的可靠性與并聯(lián)式運(yùn)行的可行性，在3-8級(jí)海風(fēng)、0.3-0.9米浪高的真實(shí)大海環(huán)境下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行10天，為未來(lái)海洋能源裝備開(kāi)發(fā)提供了新思路。

該研究是海水無(wú)淡化原位直接電解制氫全新原理技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程上跨出的堅(jiān)實(shí)一步，該技術(shù)的推廣應(yīng)用將真正開(kāi)辟集“海上風(fēng)電等可再生能源利用-海水資源利用-氫能生產(chǎn)”為一體的全新海洋綠氫產(chǎn)業(yè)體系，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)污染處理的無(wú)額外能耗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”！同時(shí)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，成為近深遠(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)！并助力我國(guó)形成從獨(dú)創(chuàng)性原理、顛覆性技術(shù)、國(guó)產(chǎn)化裝備到特色電解制氫工業(yè)模式的全鏈條式海洋綠氫發(fā)展路徑，將為碳中和路徑下的零碳能源提供中國(guó)方案、中國(guó)智慧、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)！