向大海取水制氫需要怎樣的黑科技？丨天工開(kāi)問(wèn)㊸
封面新聞2024-01-22 17:15
封面新聞?dòng)浾?馬曉玉
氫氣是當(dāng)下最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉粗�，�?guó)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(wú)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(lái)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(wèn)題，讓海水直接電解制氫近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)一直停留在實(shí)驗(yàn)室階段。
如何才能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(huì)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(duì)成員劉濤向封面新聞?dòng)浾咧v述海水無(wú)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(wú)到有
樣機(jī)可在海水中穩(wěn)定制氫超3200小時(shí)
可再生能源海水無(wú)淡化原位直接電解制氫平臺(tái)
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(lái)，美國(guó)斯坦福大學(xué)、法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心、中國(guó)科學(xué)院等國(guó)內(nèi)外知名研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(duì)都取得了顯著的成績(jī)。
海水無(wú)淡化直接電解制氫到底有何魅力，讓眾多國(guó)內(nèi)外科學(xué)家前仆后繼？既然如此費(fèi)力，又為何不將海水淡化后再制氫？劉濤表示，“其實(shí)，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(lèi)技術(shù)依賴(lài)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(huì)推高制氫成本并帶來(lái)一定的工程建設(shè)難度。”因此，不需要通過(guò)淡化過(guò)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(duì)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(duì)另辟蹊徑，開(kāi)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(guò)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(dòng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了無(wú)額外能耗的電化學(xué)反應(yīng)協(xié)同海水遷移的動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)穩(wěn)定海水直接電解制氫。
此外，團(tuán)隊(duì)自主研制的每小時(shí)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(shí)，徹底隔絕海水離子的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了無(wú)淡化過(guò)程、無(wú)副反應(yīng)、無(wú)額外能耗的規(guī)�；咝ШＫ恢苯与娊庵茪浼夹g(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(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”（科技部高技術(shù)中心評(píng)選）。
源自偶然
一場(chǎng)巧合勾勒出《Nature》文章雛形
海水無(wú)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(shí)我們剛開(kāi)始解決海水制氫難題的時(shí)候，也是采用催化劑改性的方法，但是謝和平院士說(shuō)，‘別的團(tuán)隊(duì)做了幾十年都沒(méi)有通過(guò)催化劑工程解決海水制氫的問(wèn)題，我們一點(diǎn)催化劑基礎(chǔ)都沒(méi)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(wèn)題。’”
彼時(shí)正值謝和平院士在川大主持召開(kāi)取芯探礦領(lǐng)域的國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目進(jìn)展討論會(huì)，當(dāng)中一項(xiàng)重點(diǎn)攻關(guān)內(nèi)容就是在鉆取巖心的同時(shí)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(duì)成員正在向謝和平院士匯報(bào)研究成果，“在利用疏水組分改性的膜材包覆巖心后，幾乎沒(méi)有檢測(cè)到巖心內(nèi)部的礦物成分、離子成分散失，驗(yàn)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(zhǎng)時(shí)間測(cè)試下發(fā)生了一定損耗。”謝和平院士當(dāng)即打斷說(shuō)道：“這不就是我們海水制氫一直想要實(shí)現(xiàn)的過(guò)程嗎，只有水能夠通過(guò)，其他成分不能過(guò)？”
“那一瞬間大家都被點(diǎn)醒了，就是這樣一場(chǎng)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(jiàn)刊，研究團(tuán)隊(duì)花了兩年多的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)這一創(chuàng)造性的構(gòu)想。Nature副主編評(píng)論道，“很少有論文能夠令人信服地從海水中實(shí)現(xiàn)規(guī)�；�(wěn)定制氫，但該論文的工作恰恰做到了這一點(diǎn)。他們完美地解決了有害腐蝕性這一長(zhǎng)期困擾海水制氫領(lǐng)域的問(wèn)題，將打開(kāi)低成本燃料生產(chǎn)的大門(mén)，有望推動(dòng)變革走向更可持續(xù)的世界！”
隨后不到20天時(shí)間，團(tuán)隊(duì)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(gè)海上風(fēng)電海水無(wú)淡化原位直接電解制氫海試，在3-8級(jí)風(fēng)浪、0.3-0.9米浪的復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行10天。
前景廣闊
開(kāi)啟無(wú)需純水的制氫新時(shí)代
海水無(wú)淡化原位直接電解制氫規(guī)模化技術(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(wú)淡化原位直接電解制氫技術(shù)不僅有望開(kāi)啟無(wú)需純水的制氫新時(shí)代，節(jié)約淡化設(shè)備投入和淡化成本。從能源的角度來(lái)說(shuō)，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(wèn)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(wú)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(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)高附加值產(chǎn)物濃縮富集（如鋰、鈾、海鹽等），實(shí)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(chǎng)景和技術(shù)延展性。
未來(lái)還會(huì)開(kāi)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(shí)現(xiàn)由每小時(shí)100到1000標(biāo)方，再到3000標(biāo)方的突破。同時(shí)，還會(huì)進(jìn)一步拓寬應(yīng)用場(chǎng)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(lái)成就實(shí)現(xiàn)的前提是立足于當(dāng)下的實(shí)踐，劉濤表示，“當(dāng)下我們還需要不斷對(duì)制氫裝備的真實(shí)環(huán)境耐受性、穩(wěn)定性和規(guī)�；M(jìn)行攻關(guān)，對(duì)技術(shù)體系不斷的迭代升級(jí)也是我們接下來(lái)一直需要攻關(guān)的內(nèi)容。比如：開(kāi)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(shí)產(chǎn)氫0.4標(biāo)方突破到每小時(shí)產(chǎn)氫1000標(biāo)方的大型化過(guò)程中，如何實(shí)現(xiàn)電解系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與集成技術(shù)，如何加強(qiáng)與可再生能源的適配性，如何實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)的不斷提升等等。”
