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中國發展網訊 6月3日，謝和平院士團隊以四川大學與深圳大學為共同第一單位，在國際能源環境領域頂級期刊《Energy & Environmental Science》（EES，影響因子34.6）發表研究成果 “A gel electrolyte - based direct seawater electrolysis” ，針對波動海浪環境下海水直接制氫的長期穩定性難題，創新提出基于凝膠電解質的相變遷移海水直接制氫原理與技術，為“向大海要綠氫”破局再添關鍵突破！
再生能源耦合海水直接電解制氫，是深遠海風電大規模消納難的破局關鍵。然而，海水成分極其復雜（含大量離子、雜質）易導致電解系統腐蝕、催化劑失活等問題。自20世紀70年代科學家提出“海水直接電解制氫”構想以來，始終難以突破“高效、穩定”的規模化應用瓶頸。2022年，謝和平院士開辟了“力學機制驅動的相變遷移”海水原位直接電解制氫全新路徑〔Nature, 2022, 612(7941): 673-678.〕，把海水當純凈水一樣來直接電解制氫，首次實現了無淡化、無預處理、無額外能耗的海水原位直接電解制氫，破解了海水電解制氫領域的半世紀難題。2023年5月，謝和平院士聯合東方電氣打造了全球首個海上風電海水無淡化原位直接電解制氫示范，在3～8級海風、0.3～0.9米海浪條件下穩定運行，填補了復雜海洋環境下工程應用的空白〔Nature Communications, 2024, 15(1): 5305/ 15(1): 8874.〕。
為了進一步應對真實海洋中不可控海浪波動對電解系統的長期沖擊與機械擾動，謝和平院士團隊基于相變遷移機制，創新研發多功能凝膠電解質核心材料（兼具高效水遷移、高離子電導率、力學強韌特性），通過冷凍-離子調控技術實現一體化制備。使用真實海水（無需淡化與預處理），在250mA/cm2電流密度下穩定運行超過400小時，凝膠電解質、防水透氣界面與催化劑均保持穩定。團隊還搭建了1045 mL H2/h的規模化系統，在自然流動的河流中以太陽能供電穩定運行20小時，成功驗證了“可再生能源+自然水體”的耦合制氫模式。此外，凝膠電解質在大尺寸制備（45×35 cm2）、大電流密度（1 A cm-2）場景下同樣表現出優異拓展潛力。
該研究首次從電解質材料層面完善了復雜海洋環境下相變遷移制氫的理論與技術框架，是謝和平院士“海水無淡化原位制氫”創新體系的又一重要突破，為打造中國科學家原創的無淡化、無額外催化劑工程、無海水輸運、無污染處理、無額外能耗海水原位直接電解制氫全新“海洋綠氫”模式奠定了關鍵材料基礎！
全文解讀：
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?；痉豆こ添椖?。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。20世紀70年代初有科學家提出了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、大連化物所、北京化工大學等國內外知名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?；母咝Х€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，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。2023年5月，謝和平院士團隊與東方電氣集團聯合開發了漂浮式制氫系統，在3～8級大風、0.3～0.9米海浪條件下穩定運行，打造了全球首個海上風電海水無淡化原位直接電解制氫示范〔Nature Communications, 2024, 15(1): 5305〕，首次驗證了在海洋復雜荷載環境下的海水無淡化原位直接電解制氫可行性，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，是全球首個漂浮式海上風電海水直接電解制氫示范案例。
圖1：凝膠電解質及系統的構建。(a)、凝膠基海水直接電解制氫系統。(b)、凝膠電解質吸收海水的示意圖。(c)、多孔凝膠電解質的SEM圖像。(d)、凝膠電解質的形成過程。(e)、凝膠電解質的柔韌特性：可適應拉伸、彎曲和扭轉。
圖2：水遷移和電化學性能。(a)、凝膠電解質的水捕獲原理示意圖。(b)、凝膠電解質的捕水能力。(c)、凝膠電解質內部發生的各種類型的氫鍵相互作用。(d)、水捕獲和遷移10 min前后的拉曼光譜。(e)、凝膠電解質形成過程中離子電導率的變化。(f)、凝膠電解質的電化學阻抗譜和離子電導率。(g)、凝膠電解質膜的LSV曲線。(h)、凝膠電解質的應力-應變曲線。(i)、能夠轉移OH-離子的水凝膠電解質的最大拉伸應力和離子電導率的統計。
為進一步提升相變遷移海水制氫技術在真實大海中的安全性和穩定性，謝和平院士團隊開發了一種可通過簡單冷凍-離子調控方法制備的兼具水遷移誘導（可供1641mA cm-2水電解制氫）、力學強韌（最大應力0.88 MPa）、高離子電導率（259.5 mS cm-1）與氣體分隔性能的柔性凝膠電解質，并將其用于海水直接電解。通過分子動力學模擬揭示了凝膠電解質中水分子的遷移過程，凝膠中水分子的遷移主要受濃度梯度驅動，并依賴于水分子與OH-之間氫鍵的成鍵和解離，凝膠電解質的三維多孔結構賦予了水分子遷移和OH-轉移的高效通道。
圖3：穩定性和放大電位。(a)、凝膠電解質循環吸濕-電解工藝。(b)、直接海水電解制氫穩定性試驗。(c)、直接海水電解時陽極和陰極產氣情況。(d)、不同電流密度下凝膠電解質直接海水電解穩定性試驗。(e)、凝膠電解質的放大制備。
圖4：在自然水體耦合可再生能源制氫的應用。(a)、基于凝膠電解質的制氫系統，由太陽能電池板系統供電，在自然流動的河流中運行。(b)、太陽能電池板輸出功率的變化和電解制氫的電壓穩定性。
結合相變遷移原理構建的凝膠電解質海水直接電解系統使用未經處理的真實海水，在250 mA cm-2的電流密度下穩定運行了超400小時，法拉第效率＞99%，凝膠電解質化學結構保持穩定，催化劑未發生腐蝕。此外，構建了一個規模為1045 mL H2/h的凝膠電解質制氫系統，在自然流動水體中以陽光為可再生電力來源穩定運行了20小時，驗證了耦合可再生能源在自然波動水體中電解制氫的可行性。同時，海水制氫凝膠電解質在規模擴大制備（尺寸為45×35 cm²）、大電流密度（1 A cm-2）范圍內的電解制氫方面同樣具有極大的拓展潛力。
這一成果是謝和平院士團隊海水無淡化原位直接電解制氫創新體系的深度延展，首次從材料創新角度完善了真實海洋波動環境中通過相變遷移實現穩定海水電解制氫的理論體系和技術框架，開辟了海洋復雜荷載環境下海水制氫的全新技術路線，為真實大海不可控波動環境下規?；Ｋ苯与娊庵茪涮峁┝死碚撝笇?，為打造無淡化、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奠定了全新材料基礎，可望形成中國科學家原創的多能互補“海洋綠氫”全球新興戰略產業新賽道！
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