【对话/观察者网 周远方 整理/袁逸泓】

12月16日，深圳大学/四川大学谢和平院士团队与东方电气股份有限公司、东方电气（福建）创新研究院有限公司签署“海水无淡化原位直接电解制氢原创技术中试和产业化推广应用”的四方合作协议。

图自《深圳商报》

观察者网：海水直接电解制氢是困扰世界半个多世纪的难题，它主要面临的难题是哪些？

刘泰生：从海水制氢概念提出后，全世界就在不断探索。迄今为止50多年，效果仍然不理想。

电解海水制氢，有两种路径，第一是先淡化海水，再进行制氢，这是现有各种技术的结合。第二是海水直接电解制氢，即把电解槽泡在海水里直接操作。近50年来，海水直接电解制氢的进展还不足以达到走出实验室，更不用提商业化。目前仅仅能够在实验室里持续100-200个小时。海水成分复杂，里面有多种元素、离子化合物等，在电解过程中会发生竞争性反应，导致失效。

举例而言，在阴极，氢离子变成氢气，同时，钙离子、镁离子也会发生反应，生成氢氧化钙、氢氧化镁，产生固体物质。一旦累积，就会沉积在催化剂或电极表面堵塞导致失活，从而使整体效率下降，无法进行电解。这是在阴极上可能发生的问题。在生成氧气的阳极，由于存在氯离子，在生成氧气的同时会生成氯气，这是竞争性副反应。氯气生成后溶解在水里会生成次氯酸，造成腐蚀。这些问题也导致了一系列后续问题的发生。

这是最典型的发生在海水直接制氢领域的问题，在阴极和阳极上会发生沉积、腐蚀、堵塞、失活等各种问题。根本原因是，由于海水成分复杂，可能同时存在多种竞争性副反应，引发不可预料的结果，目前还没有完美的解决方案，因此传统的海水直接电解制氢领域进展一直不明朗。

观察者网：为什么纯水淡化这条路线也不经济呢？

刘泰生：海水通过设备进行淡化，存在两方面问题。第一，设备成本高；第二，设备占地大。过去，膜技术没有突破时，只能通过热法进行淡化，不但成本高，而且需要热源，很麻烦。即使后来膜法被发明，电费与反渗透膜的成本也较高。此外，海水通过膜法淡化后，还面临着浓缩废水处理问题，也需要额外设备与成本。尤其是在某些特殊应用场景，不具备相应空间条件。同时，整体系统检修和维护工作量也较大。总而言之，海水淡化至纯水再电解，成本较高，占地较大。因此，虽然这条路理论上行得通，但从经济性上有一定挑战，国内外也少有人尝试。

观察者网：请您谈一下这次物理力学过程和电化学反应相结合的直接海水制氢原理。

刘泰生：如果大家对这个原理感兴趣，可以直接去看《自然（nature）》上的这篇论文，其实已经讲得很清楚了。我可以再简化一下，便于大家理解，可能跟与论文的内容不一定完全对应。

海水无淡化电解制氢的原理是什么？

电解水制氢领域，市场占有率最高且成熟度最高的主流技术是碱性电解水制氢，占据电解水制氢领域99％以上市场份额，是最主流、经济性最好、单位功率最高的技术。其电解液是30%浓度的氢氧化钾溶液，而海水是3%盐浓度的溶液。氢氧化钾溶液中水的摩尔浓度明显低于海水中水的摩尔浓度。按照传质的基本原理，由于浓度差，海水中的水会自然向碱性电解液流动，这是一个自驱动的过程。

这时，如果设置一个膜，只让水分子通过，不让其它离子通过，就实现了向碱性电解液补水的效果。碱性电解液中的水分子在电解过程中不断被消耗，而海水中的水分子利用膜的选择性渗透作用，不断补充到碱性电解液里面，从而实现动态平衡，源源不断地对海水中的水进行电解。这项技术适用于最普通、最经济的碱性电解液，通过海水和碱性电解液中水的摩尔浓度差进行自驱动，不需要任何外来电力就可以实现，这就是其原理与优势所在，与传统利用反渗透膜进行海水淡化的原理不一样。

海水无淡化原位直接电解制氢原理的部分图解，图自谢和平院士团队在《自然》杂志上表的论文《A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation》

观察者网：既然这个原理一直成立，为什么之前没有走这条路？这次的突破在哪里？

刘泰生：虽然原理看似通俗易懂。但过去我们一直拘泥于传统路线，仍然按照传统海水直接电解的思路，强调如何调整催化剂、改进电极、调整电解液等。

谢和平院士团队走上这条路是多学科交叉、跨界研究的成果。谢院士从事多种跨界研究，将补水原理运用于海水制氢的想法，是在另一案例中探讨失败原因时获得的灵感。他山之石，可以攻玉。这是突破传统思维的新路径，彰显了多学科综合和学科交叉对创新的促进推动作用。