到海洋中采“氫礦”：海水制氫氣的奧秘

薛斌

氫氣是一種清潔、高效、可再生的能源，被認為是能夠助力人類實現可持續發展的綠色能源。但是，要想大規模地利用氫氣，就需要解決一個難題：如何從海水中制造出足夠多的氫氣。讓我們一起看看中國科學家是如何攻克這一難題的吧！

氫能源推廣應用的前提是大規模生產氫氣。工業上的制氫方式是以煤炭、石油、天然氣為原料，這不但耗費日益枯竭的化石能源，而且會產生大量的溫室氣體二氧化碳，環境友好程度低，因此被稱為“灰氫”。

為了實現節能減排的目標，在傳統“灰氫”生產中使用先進的碳捕獲技術，可以降低碳排放量，如此得到的氫氣被稱為“藍氫”。

而更吸引人的是“綠氫”，也就是利用太陽能、風能、潮汐能等清潔能源來生產氫氣。

如圖1所示，水在通電的情況下可以發生分解，即在陰極上產生氫氣，在陽極上產生氧氣。基于這個電解水原理，把太陽能、風能、潮汐能等間歇式的清潔能源轉化為電能，應用到“綠氫”生產上，成為實現能源轉化和儲存的良方。而水是生產氫氣的極佳原料，因此，電解水制氫成為科學家研究的熱點。

但知易行難，電解水制氫技術的應用還需要攻克很多科學技術難題。例如，如何在更省電的情況下生產更多的氫氣，即提高從電能到氫能的轉換效率。為此，材料化學專家正努力通過開發新型高效的電催化劑來攻克這個難關。

另外，目前電解水制氫使用的都是純凈的液態水，如何在節水條件下高效制氫呢？研究人員將目光轉向了海洋——地球水資源的寶庫。海洋占全球面積的70.8%，海水占地球水資源總量的96.5%。海洋就是一個巨大的“氫礦”！

電解海水生產氫氣顯然是個妙招，但困難也隨之而來。我們知道，海水是苦咸的，這是因為海水里除了水之外，還含有大量其他化學物質，主要成分是氯離子、鈉離子、硫酸根離子、鎂離子、鈣離子、鉀離子、碳酸氫根離子、溴離子、鍶離子、硼酸分子和氟離子。

氯離子和鎂離子是干擾電解海水制氫的主要雜質。這是因為，在電解過程中會發生氯離子轉化為氯氣的副反應，并與氧氣的生成產生競爭；鎂離子會生成不易溶解的氫氧化鎂，并沉積在電極表面，從而使電催化劑失去作用，影響電極的壽命。如果將海水淡化后再用來電解水制氫，必將帶來額外的能源消耗，可謂得不償失。

慶幸的是，中國科學家巧妙地把海水蒸發淡化與電解水結合起來，實現了海水的穩定、高效電解制氫。如圖2所示，研究人員使用聚四氟乙烯（一種高分子聚合物，可作“不粘鍋”涂層）薄膜把海水和電解裝置隔離開，這層膜就像沖鋒衣一樣防水但是透氣，海水蒸發產生的水蒸氣可以透過它向電解裝置內部擴散，而雜質仍然留在海水中不能通過。水蒸氣遇到聚乙烯醇（一種親水性高分子聚合物）和氫氧化鉀的復合水凝膠電解質后，又會凝結成純凈的液態水。

隨著氫氣和氧氣的釋放和導出，純凈的液態水逐漸減少，在壓強差的作用下，海水中的水蒸氣繼續向電解裝置內部輸送，源源不斷地補充電解所需的原料，使電解水過程持續發生。這樣的裝置在深圳灣的海水中可以穩定運行達3200小時，性能可與使用純水的工業堿性電解設備媲美。

中國科學家的這項研究成果為大規模海水電解制氫帶來了希望。未來，可以利用海洋上豐富的太陽能、風能、潮汐能等，實現高效、清潔的“綠氫”生產，到海洋中開采“氫礦”將不再是夢想！

（責任編輯 / 高琳? 美術編輯 / 周游）