海水含什麼
近期，謝和平院士海水制氫研究團隊在海水直接制氫領域取得重大原創突破，並在《Nature》上發表了研究論文。這意味著海水直接制氫這一個困擾學界近50年的科學難題，得到了嶄新突破。
紅星新聞記者瞭解到，12月16日東方電氣股份有限公司、東方電氣（福建）創新研究院有限公司與四川大學/深圳大學謝和平院士團隊在深圳簽署“海水無淡化原位直接電解制氫原創技術中試和產業化推廣應用”的四方合作協議。這意味著該項科技成果正在加速產業化，並有望在新能源應用領域帶來重大突破。
▲簽約儀式現場
海水直接制氫為何如此複雜？12月25日，紅星新聞記者採訪了謝和平院士海水制氫團隊核心成員、四川大學新能源與低碳技術研究院研究員劉濤。他告訴記者，海水包含了約92種化學元素，這樣的複雜成分暗藏著許多危險的“變化”，任何微小的“變化”都可能會對電解系統產生嚴重的損害。技術突破如履薄冰，研究壓力不斷累積，成為了研究人員們身上的重擔，謝和平院士海水制氫研究團隊已經在這個領域默默耕耘10餘年，劉濤說：
“謝院士知道這是塊‘硬骨頭’，但他一直鼓勵我們要啃下去，因為大家深知它將具有劃時代的意義。”
海水直接制氫技術未來5年內有望實現產業化落地
據瞭解，海水無淡化原位直接電解制氫原創技術的研發同東方電氣股份有限公司、東方電氣（福建）創新研究院有限公司與四川大學/深圳大學謝和平院士團隊四方緊密聯絡，前期，東方電氣集團專項投入3000萬元作為海水無淡化原位直接電解制氫顛覆性技術研發經費。在東方電氣股份有限公司黨組成員、副總經理張彥軍看來，本次聯合推動海水無淡化原位制氫技術不僅符合當前國家戰略，也符合企業發展所需。謝和平院士表示，協同創新可加快該項科技成果的轉化應用。
四川大學/深圳大學謝和平院士團隊已在零碳能源與負碳技術研究領域深耕十餘年，團隊集結化學工藝、材料工程、機械製造等領域多交叉學科科研人才。目前，團隊包含研究員、副研究員、博士後及博士研究生共18人。研究員劉濤告訴記者：“海水制氫技術研發是我們的重點研究方向。”謝和平院士團隊正與東方電氣等三方全面合作，計劃以“三步走戰略”實現這項技術的產業化落地。
具體而言，
第一步，各方將共同推進海上中試示範驗證，樹立可再生能源海上直接電解制氫領域標杆。
在12月16日，東方電氣股份有限公司、東方電氣（福建）創新研究院有限公司與四川大學／深圳大學謝和平院士團隊已在深圳簽署“海水無淡化原位直接電解制氫原創技術中試和產業化推廣應用”的四方合作協議。
隨後，研究團隊將全力攻關第二代大規模海水無淡化原位直接電解制氫核心技術，迭代發展並最佳化升級。
最後，透過協同合作加速推進產業化落地，實現全新的海水制氫新型工業模式。
劉濤預估：“大概在未來3-5年內，有希望實現與現有工業電解系統的高效匹配，實現海水無淡化原位直接電解制氫技術的產業化落地。”
如何征服複雜的海水成分？謝和平院士鼓勵跳出傳統思維
據悉，預計到2060年，我國氫氣年需求量將達1。3億噸，屆時每年需要消耗約11。7億噸電解用純水。然而，淡水資源緊缺將嚴重製約“綠氫”技術的發展。海洋是地球上最大的氫礦，向大海要水是未來氫能發展的重要方向，複雜的海水成分成為最大的“攔路虎”。
20世紀70年代初有科學家提出了海水直接電解制氫的構想。近半個世紀以來，國內外研究團隊一直在進行相關研究。然而，可規模化的高效穩定海水直接電解制氫原理與技術仍是世界空白。
隨時隨地討論總結、日夜不停做實驗搞分析、輪班徹夜觀察裝置執行……是謝和平院士海水制氫研究團隊突破技術難題時的常見狀態。
▲謝和平院士海水制氫團隊日常的討論會
研究團隊查閱近五十年海水直接電解制氫的文獻，近乎99%以上都是一個方案——催化劑改性。劉濤告訴記者：“這也是我們一開始著手的方案，但我們對催化劑材料知之甚少，進展也很緩慢。”期間，謝和平院士鼓勵大家跳出傳統思維模式，首次開創了將物理力學與電化學相結合的全新思想，提出了相變遷移驅動的海水直接電解制氫原理與技術。
2021年研究團隊驗證了將物理力學與電化學相結合的海水直接電解制氫全新思路是可行的，但進一步研究就遇到了非常頭疼和棘手的問題，怎麼實現體系的高效性和穩定性？為了克服這個難題，謝和平院士那段時間每天組織大家開會討論、制定實驗方案，尋找解決問題的突破口，不分晝夜幾乎無休地尋找原因。除了身體上的疲憊，精神上的不安和焦慮更加磨人。
想要突破長達半世紀的科學難題、取得具有顛覆性意義的科研成果是滿途荊棘的，在這種緊張的節奏中，謝和平院士海水制氫團隊的所有研究人員鼓足幹勁共同努力，終於在2021年6月，取得了突破性的進展。其研究成果於2022年11月成功發表在《Nature》期刊上。
隨著技術深度挖掘和應用拓展，後續還會遇到許多工程化難題，例如：如何在大體量下控制最佳化海水遷移過程？如何與現有工業成熟電解系統匹配耦合？未來的挑戰還在繼續。
氫氣生產實現零汙染，技術原理可用於其它非純水能源化
氫能被認為是未來能源結構體系的核心，其能量密度大、清潔、高效、無碳排放，是實現減碳最有效的能源替代產品之一。劉濤告訴記者，現在由於海上風電等可再生能源難利用，棄風棄電多，加上海上電力輸送成本高、損耗大，若是能利用海上可再生能源轉化為氫能，將大幅降低輸送成本，有望成為未來深遠海可再生能源開發的破局關鍵。
據瞭解，關於氫氣氫能的應用，當下比較熱門的研究是氫氣可替代焦炭作為還原劑應用於冶金行業；而氫氣的燃燒或氧化過程可以釋放能量，例如用於氫燃料電池，目前已經有商業化的氫能源汽車、重卡、郵輪等等。隨著氫氣生產和氫能應用的持續發展，相關的應用將在人們的生活中變得更加常見。
此外，氫氣的儲運也是需要攻關的研究方向，氫氣儲存的高壓儲罐材料及型別同國際先進水平仍有一定差距，若是氫氣儲運成本較高，這就會進一步提高氫氣的使用成本。
現階段，謝和平院士海水制氫團隊研製了全球首套400L/h海水原位直接電解制氫技術與裝備，已經在深圳灣海水中連續執行超3200小時，無汙染和催化劑腐蝕，在真實海水中實現了原位、穩定、規模化的制氫過程。
▲謝和平院士正在指導學生
海水無淡化原位直接電解制氫技術不僅減碳還環保。劉濤介紹到，技術裝備在使用過程中，主要是透過分解水來產生氫氣和氧氣，零汙染制氫。同時相比於先淡化後製氫的傳統電解水模式，該技術省去了先淡化過程，也避免了淡化後產生的高濃、高溫鹽水的汙染排放等問題。更具潛力的是，該項技術包含的相變遷移機制，實質上就是從非純水中捕獲純淨水的過程，因此，它也可以用於其它的一些非常規水資源，例如河水、湖水、工業廢水等，實現非純水的資源化、能源化雙效利用。
紅星新聞記者 葉燕 實習記者 胥婷 圖據東方電氣、四川大學新能源與低碳技術研究院
編輯 譚王雨