2024年6月21日，深圳大學謝和平院士團隊在Nature Communications上發表了題為“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隊2022年11月30日在Nature上發文開創的相變遷移海水直接電解制氫全新原理與技術，圍繞在真實大海中實現海水直接制氫面臨的海水多場耦合復雜工況帶來的波動性等科學難題與工程空白，提出了抵抗真實大海不可控海洋波動環境的海水直接制氫全新路徑與技術；系統研究了不同海水組分（深圳灣、興化灣）濃度變化導致的界面蒸氣壓差差異，闡明了濃度動態變化下相變遷移過程的自調控自適應機制；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程規律與影響機制，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效果；基于界面傳質面積動態變化規律建立了真實海浪波動下的相變遷移海水制氫理論模型，并在實驗室模擬海洋環境下實現了500h以上穩定性，未發生催化劑腐蝕、毒性和腐蝕性，充分驗證了電解系統、防水透氣層等核心關鍵部件在復雜環境下的耐受性與抵御能力，為在真實大海不可控波動環境下規模化海水直接電解制氫提供了理論指導并奠定未來產業化發展基礎。
圖1 波動環境下相變遷移海水直接電解制氫研究
為了進一步驗證相變遷移海水制氫技術在真實大海中的可行性可靠性，謝和平院士團隊與東方電氣集團聯合設計研制了1.2 Nm3/h海上可再生能源海水無淡化原位直接電解制氫漂浮平臺，在福建省興化灣3-8級大風、0.3-0.9米海浪干擾下，首次與海上風電直接對接，連續穩定運行10天，海水雜質離子阻隔率高達99.99%以上，制氫純度達到99.9%-99.99%，首次構建了與再生能源相結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！
圖2 全球首個海上風電海水無淡化原位直接電解制氫海試成功
圖3 真實大海環境下（福建省興化灣）海水直接制氫可靠性和穩定性
向大海要水來制氫是未來發展的重要方向。先淡化預處理后制氫是當前最成熟的海水制氫技術路徑，目前已在全球多國開展規模化示范工程項目。但該類技術嚴重依賴大規模淡化設備，工藝流程復雜且占用大量土地資源，進一步推高了制氫成本與工程建設難度。上世紀70年代初有科學家提出，海水可否直接電解制氫呢？這半個世紀以來，美國斯坦福大學、法國國家科學研究中心、澳大利亞阿德萊德大學、中國科學院等國內外知名院校的研究團隊通過催化劑工程、膜材料科學等手段進行了大量探索研究，旨在破解海水直接電解制氫面臨的析氯副反應、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雜組分對電解槽制氫的影響，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！
針對前述挑戰，謝和平院士團隊通過將分子擴散、界面相平衡等物理力學過程與電化學反應結合，開創了海水原位直接電解制氫全新原理與技術（Nature, 2022, 612(7941): 673-678.），建立了氣液界面相變自遷移自驅動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相變傳質的力學驅動機制，實現了無額外能耗的電化學反應協同海水遷移的動態自調節穩定海水直接電解制氫。自主研制的386 L/h H2原理樣機在深圳灣海水中穩定制氫超3200小時，全面解決了多年困擾科技界和產業界的難題；完美破解了海水電解制氫領域的半世紀難題，實現了把取之不盡的海水當純水一樣直接用于電解制氫。該技術被評為2022年中國科學十大進展。
基于這一全新原理與技術，東方電氣集團與謝和平院士團隊專門研制了漂浮式海上制氫平臺（9m×7m×3.5m）以及海上風電智慧穩定供電系統，首次實現了海上風電可再生能源和海水直接制氫的一體化技術，在真實大海中利用海上風電驅動海水制氫，突破了海上復雜環境、風電波動性對海水直接制氫的影響，形成了抗海洋復雜環境的相變遷移海水直接制氫原理技術，建立了針對海洋波動環境的相變遷移模型并研究了波動性海浪對相變遷移過程的影響，提出了可再生能源海水制氫漂浮平臺的設計策略，驗證了自主研發的全球首套海水直接制氫裝備的可靠性與并聯式運行的可行性，在3-8級海風、0.3-0.9米浪高的真實大海環境下連續穩定運行10天，為未來海洋能源裝備開發提供了新思路。
該研究是海水無淡化原位直接電解制氫全新原理技術在產業化進程上跨出的堅實一步，該技術的推廣應用將真正開辟集“海上風電等可再生能源利用-海水資源利用-氫能生產”為一體的全新海洋綠氫產業體系，可望形成無淡化、無額外催化劑工程、無海水輸運、無污染處理的無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”轉化為“海水能源”！同時該技術未來可構建與海上可再生能源相結合的一體化原位海水制氫工廠，成為近深遠海可再生電力大規模開發的破局關鍵，加速推進形成多能互補的中國原創“海洋綠氫”全球新興戰略產業！并助力我國形成從獨創性原理、顛覆性技術、國產化裝備到特色電解制氫工業模式的全鏈條式海洋綠氫發展路徑，將為碳中和路徑下的零碳能源提供中國方案、中國智慧、中國標準！
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49639-6
