向大海取水制氫需要怎樣的黑科技？丨天工開問㊸
封面新聞2024-01-22 17:15
封面新聞記者 馬曉玉
氫氣是當(dāng)下最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉粗�，國際能源署預(yù)估到2050年全球制氫系統(tǒng)消耗淡水將達(dá)到121億立方米。當(dāng)然，有限的淡水資源不可能任由我們肆無忌憚地?fù)]霍。于是，科學(xué)家們將目光投向了地球上最大的氫礦——海洋。
向大海取水是未來氫能發(fā)展的重要方向，但海水復(fù)雜組分引起的毒性和腐蝕性等問題，讓海水直接電解制氫近半個世紀(jì)以來一直停留在實驗室階段。
如何才能實現(xiàn)長期穩(wěn)定制氫，將“海水資源”轉(zhuǎn)化為“海水能源”？日前，在第三屆天府科技云服務(wù)大會上，四川大學(xué)新能源低碳技術(shù)研究院研究員、謝和平院士海水制氫團(tuán)隊成員劉濤向封面新聞記者講述海水無淡化原位直接電解制氫技術(shù)從靈感萌芽到落地的故事。
從無到有
樣機(jī)可在海水中穩(wěn)定制氫超3200小時
可再生能源海水無淡化原位直接電解制氫平臺
自20世紀(jì)70年代初有科學(xué)家提出了海水直接電解制氫的構(gòu)想以來，美國斯坦福大學(xué)、法國國家科學(xué)研究中心、中國科學(xué)院等國內(nèi)外知名研究團(tuán)隊通過催化劑工程、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)、鈣鎂沉淀等難題。海水制氫領(lǐng)域百花齊放，各大團(tuán)隊都取得了顯著的成績。
海水無淡化直接電解制氫到底有何魅力，讓眾多國內(nèi)外科學(xué)家前仆后繼？既然如此費力，又為何不將海水淡化后再制氫？劉濤表示，“其實，先淡化后制氫的間接電解制氫模式早已成為當(dāng)前最成熟的海水制氫技術(shù)路徑，但該類技術(shù)依賴淡化設(shè)備，工藝流程較為復(fù)雜，需要額外的淡化能耗，這會推高制氫成本并帶來一定的工程建設(shè)難度。”因此，不需要通過淡化過程、又不需要額外能耗的海水直接電解制氫仍然是首要選擇。
謝和平院士正指導(dǎo)團(tuán)隊工作
為了破解有害腐蝕性這一困擾海水電解制氫領(lǐng)域半世紀(jì)的難題，謝和平院士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊另辟蹊徑，開創(chuàng)了將分子擴(kuò)散、界面相平衡等大自然的物理力學(xué)過程與電化學(xué)反應(yīng)巧妙結(jié)合的新路徑，形成了界面壓力差海水自發(fā)相變傳質(zhì)的力學(xué)驅(qū)動機(jī)制，實現(xiàn)了無額外能耗的電化學(xué)反應(yīng)協(xié)同海水遷移的動態(tài)自調(diào)節(jié)穩(wěn)定海水直接電解制氫。
此外，團(tuán)隊自主研制的每小時產(chǎn)氫400升的電解原理樣機(jī)在深圳灣海水中穩(wěn)定制氫超3200小時，徹底隔絕海水離子的同時實現(xiàn)了無淡化過程、無副反應(yīng)、無額外能耗的規(guī)模化高效海水原位直接電解制氫技術(shù)突破。相關(guān)成果于2022年11月30日發(fā)表在Nature上，入選“2022年度中國科學(xué)十大進(jìn)展”（科技部高技術(shù)中心評選）。
源自偶然
一場巧合勾勒出《Nature》文章雛形
海水無淡化原位直接制氫原理
“海水直接電解制氫原理的建立源于謝院士一次偶然的發(fā)現(xiàn)。”
劉濤回憶道，“其實我們剛開始解決海水制氫難題的時候，也是采用催化劑改性的方法，但是謝和平院士說，‘別的團(tuán)隊做了幾十年都沒有通過催化劑工程解決海水制氫的問題，我們一點催化劑基礎(chǔ)都沒有，要想超越根本不可能。如果不打破常規(guī)，跳出現(xiàn)有傳統(tǒng)的思維模式，從原理上徹底創(chuàng)新，不可能解決海水直接制氫的問題。’”
彼時正值謝和平院士在川大主持召開取芯探礦領(lǐng)域的國家重大科研儀器研制項目進(jìn)展討論會，當(dāng)中一項重點攻關(guān)內(nèi)容就是在鉆取巖心的同時在其表面原位生成一張高分子薄膜包覆巖心，從地球深部取出“活體”巖心，繼而避免巖心內(nèi)部物質(zhì)信息的損失。
劉濤及其他團(tuán)隊成員正在向謝和平院士匯報研究成果，“在利用疏水組分改性的膜材包覆巖心后，幾乎沒有檢測到巖心內(nèi)部的礦物成分、離子成分散失，驗證了膜材具有良好的保質(zhì)效果，但巖心內(nèi)部的水分在長時間測試下發(fā)生了一定損耗。”謝和平院士當(dāng)即打斷說道：“這不就是我們海水制氫一直想要實現(xiàn)的過程嗎，只有水能夠通過，其他成分不能過？”
“那一瞬間大家都被點醒了，就是這樣一場巧合勾起靈感火花——《Nature》文章的雛形。”劉濤回憶道。
從2020年這一原理被提出，到2022年11月30日在《Nature》上見刊，研究團(tuán)隊花了兩年多的時間來實現(xiàn)這一創(chuàng)造性的構(gòu)想。Nature副主編評論道，“很少有論文能夠令人信服地從海水中實現(xiàn)規(guī)�；�(wěn)定制氫，但該論文的工作恰恰做到了這一點。他們完美地解決了有害腐蝕性這一長期困擾海水制氫領(lǐng)域的問題，將打開低成本燃料生產(chǎn)的大門，有望推動變革走向更可持續(xù)的世界！”
隨后不到20天時間，團(tuán)隊就和東方電氣簽署了合作協(xié)議，并于2023年5月27日在福建省福清市完成全球首個海上風(fēng)電海水無淡化原位直接電解制氫海試，在3-8級風(fēng)浪、0.3-0.9米浪的復(fù)雜環(huán)境下實現(xiàn)穩(wěn)定運行10天。
前景廣闊
開啟無需純水的制氫新時代
海水無淡化原位直接電解制氫規(guī)�；夹g(shù)裝備及穩(wěn)定性
該技術(shù)的發(fā)展前景如何？劉濤表示，海水無淡化原位直接電解制氫技術(shù)不僅有望開啟無需純水的制氫新時代，節(jié)約淡化設(shè)備投入和淡化成本。從能源的角度來說，還有望成為可再生能源，是深遠(yuǎn)海風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)消納難、工程投資/電力輸送成本高等問題的破局關(guān)鍵！構(gòu)建與可再生能源相結(jié)合的一體化無需純水的電解制氫工廠，助力形成多能互補(bǔ)一體化新能源產(chǎn)業(yè)。
另一方面，該技術(shù)還有望實現(xiàn)眾多水溶液（廢水、鹽湖水、礦井水等）的資源化、能源化雙效利用，直接制氫同時實現(xiàn)高附加值產(chǎn)物濃縮富集（如鋰、鈾、海鹽等），實現(xiàn)更具經(jīng)濟(jì)潛力的制氫新模式，擴(kuò)展電解水制氫技術(shù)的應(yīng)用場景和技術(shù)延展性。
未來還會開發(fā)第二代更抗海洋環(huán)境干擾的海水直接制氫系統(tǒng)，在規(guī)模上實現(xiàn)由每小時100到1000標(biāo)方，再到3000標(biāo)方的突破。同時，還會進(jìn)一步拓寬應(yīng)用場景和經(jīng)濟(jì)潛力，如應(yīng)用到油田水、礦井水、鹽湖水等。
當(dāng)然，這一切未來成就實現(xiàn)的前提是立足于當(dāng)下的實踐，劉濤表示，“當(dāng)下我們還需要不斷對制氫裝備的真實環(huán)境耐受性、穩(wěn)定性和規(guī)模化進(jìn)行攻關(guān)，對技術(shù)體系不斷的迭代升級也是我們接下來一直需要攻關(guān)的內(nèi)容。比如：開發(fā)具有高穿透壓與力學(xué)強(qiáng)度的聚合物膜材，形成抗海風(fēng)、海浪等復(fù)雜環(huán)境干擾的海水相變遷移傳質(zhì)技術(shù)。再比如：制氫規(guī)模從現(xiàn)在的每小時產(chǎn)氫0.4標(biāo)方突破到每小時產(chǎn)氫1000標(biāo)方的大型化過程中，如何實現(xiàn)電解系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與集成技術(shù)，如何加強(qiáng)與可再生能源的適配性，如何實現(xiàn)性能指標(biāo)的不斷提升等等。”
