科学无疆界，创纪录！中美科学家联合研制出新型海水制氢法

氢气由于其高能量密度和无污染的特性，被认为是最有前途的清洁能源之一。

2019年，氢能首次被写入政府工作 告，一时成了能源界的“当红辣子鸡”。目前制氢技术五花八门，但只有以电解水制成的氢纯度最高，适于氢燃料电池的使用，同时又有助于缓解新能源消纳问题。然而如何低成本电解水制氢依然是加快氢气推广的拦路虎。

电解水生产氢燃料一方面高度依赖于阳极高效稳定的氧析出反应(OER)。另一方面，如果大量的淡水被用于生产燃料，在淡水资源日益稀缺的当下，会引起严重的水分配问题。于是，科研人员将目光投向了海水——地球上最丰富的水电解质原料。

但如果以海水淡化后制氢，既浪费能源，又抬高成本。如果直接电解海水，在海水分解过程中还有许多技术上的挑战，尤其是阳极反应的稳定性。理论上，电解水制氢很简单：连接电源并将两个电极放在水中，当电源打开时，氢气从阴极中析出，氧气从阳极中冒出。但海水盐中的氯离子会腐蚀正极，缩减系统的寿命。

来自中美的联合科研团队找到了一种方法来阻止这些海水成分破坏位于水中的阳极。他们发现，如果在阳极上包上负电荷的涂层，电极表面层就会排斥氯离子，从而减缓金属腐蚀问题。该研究成果于今年3月发表于著名科学周刊《美国国家科学院院刊》。

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解决耐腐蚀问题

他们是如何做到的呢？

在经过大量实验后，他们将碳酸盐和硫酸盐分子，整合到镍阳极上的铁镍涂层中。也就是将氢氧化镍层置于硫化镍之上，硫化镍覆盖着泡沫镍芯。泡沫镍起到导体的作用，从电源输送电能，氢氧化镍会引发电解，将水分解成氧气和氢气。在电解过程中，碳酸盐和硫酸盐分子具有很高的负电荷，由于相同电荷的分子相互排斥，可以防止盐中的氯离子穿透涂层，腐蚀电极。

该团队使用旧金山湾的海水成功测试了他们的原型系统。论文的合著者之一，迈克尔·肯尼(Michael J. Kenney)说：“如果没有带负电荷的涂层，阳极只能在海水中工作12小时左右。之后整个电极就会碎裂。但是有了这个涂层后，目前它已经历了超过一千个小时的试验了，依然可以良好运行。”在实验过程中，即使将盐浓度提高到海水含盐量的三倍，带涂层的电解槽仍能运行40天以上。

由于电流越高，腐蚀作用越明显，因此在此前的电解海水实验中，为了控制腐蚀反应的速率，工作电流都是很小的。但是该团队能够通过他们的多层装置传导高10倍的电能，从而可以大幅提高从海水中生产氢气的速度，进一步降低海水制氢的成本。

“我认为我们创下了电解海水的纪录。”团队负责人之一戴宏杰说。

研究小组在受控的实验室条件下进行了大部分测试，他们可以控制进入系统的电量。结合加州丰富的太阳能资源和靠近海洋的区位优势，他们设计了一台太阳能演示机，通过太阳能电池板发电分解从旧金山湾收集来的海水，从而得到氢气和氧气。金属电极在历经上千小时的试验后，依然没有盐腐蚀的风险，该设备与目前使用高纯度水制备氢气的技术相媲美。

肯尼说：“这项研究令人印象深刻的一点是，我们能够在与当今工业界使用的电流相同的条件下工作。”

研究人员在展示太阳能电解海水装置

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更多可能性

戴宏杰表示，这项技术将为提高太阳能或风能驱动的氢燃料的可用性打开大门，该技术的应用场景也不仅限于制氢。由于这个过程也会产生可呼吸的氧气，潜水员或潜水艇可以把设备带到海洋中，在不需要浮出水面换气的情况下，在海底产生氧气。谈到技术转让，戴宏杰说：“人们可以在现有的电解槽系统中使用这些原理，这可能非常快，不需要花费太多的时间就能做成。这不是从零开始——更像是从80％或90％开始。”

现有水分解制氢的方法依赖于纯净的水，成本较高。现在世界许多地方，淡水供应紧张，如中国就是缺水大国。通过电解海水，为燃料电池制造氢，将有助于解决这一问题。虽然这一技术突破不能解决氢动力汽车面临的所有挑战，比如基础设施建设、质子膜技术难题、建立可持续、价格合理的氢动力分销 络等。但是，如果低成本利用可再生能源电解海水制氢成为可能，其他问题或能迎刃而解。

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氢科学无疆界

这一研究由美国能源部、国家科学基金会、国家科学基金会和国家重点研发项目资助。团队汇集了斯坦福大学、北京化工大学、山东科技大学、台湾逢甲大学、天津科技大学、科罗拉多大学等多所科研院校和实验室的研究人员。

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