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突破性開(kāi)創(chuàng)海水原位直接電解制氫全新路徑!謝和平院士團(tuán)隊(duì)破解半世紀(jì)難題

2022-12-02 來(lái)源:能見(jiàn)、中國(guó)發(fā)展網(wǎng) 瀏覽數(shù):553

11月30日,謝和平院士與他指導(dǎo)的深圳大學(xué)/四川大學(xué)博士生團(tuán)隊(duì)在《Nature》上發(fā)表了題為A membrane-based seawater electrolyser

11月30日,謝和平院士與他指導(dǎo)的深圳大學(xué)/四川大學(xué)博士生團(tuán)隊(duì)在《Nature》上發(fā)表了題為“A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation”的研究成果。

該研究首次從物理力學(xué)與電化學(xué)相結(jié)合的全新思路,建立了相變遷移驅(qū)動(dòng)的海水無(wú)淡化原位直接電解制氫全新原理與技術(shù),另辟蹊徑,徹底隔絕海水離子同時(shí)實(shí)現(xiàn)了無(wú)淡化過(guò)程、無(wú)副反應(yīng)、無(wú)額外能耗的高效海水原位直接電解制氫技術(shù)突破(即把海水當(dāng)純凈水用,在海水里直接原位電解制氫),破解了海水直接電解制氫半世紀(jì)難題,可望形成中國(guó)原創(chuàng)的“海洋綠氫”全球新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。

正如《Nature》評(píng)審專(zhuān)家所評(píng)述:“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)。他們完美的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!”

相變遷移驅(qū)動(dòng)的海水無(wú)淡化原位直接電解制氫原理

綠色零碳?xì)淠苁俏磥?lái)能源發(fā)展的重要方向,隨著氫能爆發(fā)式增長(zhǎng),預(yù)計(jì)到2060年,我國(guó)氫氣年需求量將達(dá)1.3億噸,屆時(shí)每年需要消耗約11.7億噸電解用純水。然而,淡水資源緊缺將嚴(yán)重制約“綠氫”技術(shù)的發(fā)展。海洋是地球上最大的氫礦,向大海要水是未來(lái)氫能發(fā)展的重要方向。但復(fù)雜的海水成分(約92種化學(xué)元素)導(dǎo)致海水制氫面臨諸多難題與挑戰(zhàn)。先淡化后制氫是當(dāng)前最成熟的海水制氫技術(shù)路徑,目前已在全球多國(guó)開(kāi)展規(guī)模化示范工程項(xiàng)目。但該類(lèi)技術(shù)嚴(yán)重依賴(lài)大規(guī)模淡化設(shè)備,工藝流程復(fù)雜且占用大量土地資源,進(jìn)一步推高了制氫成本與工程建設(shè)難度。

上世紀(jì)70年代初有科學(xué)家提出,海水可否直接電解制氫呢?這半個(gè)世紀(jì)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、澳大利亞阿德萊德大學(xué)、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、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(fù)雜組分對(duì)電解制氫的影響,可規(guī)模化的高效穩(wěn)定海水直接電解制氫原理與技術(shù)仍是世界空白。

謝和平院士提出了從物理力學(xué)與電化學(xué)相結(jié)合的全新思路破解海水直接電解制氫面臨的難題與挑戰(zhàn),從而創(chuàng)造性地開(kāi)創(chuàng)了海水無(wú)淡化原位直接電解制氫新原理與技術(shù)。

通過(guò)將分子擴(kuò)散、界面相平衡等物理力學(xué)過(guò)程與電化學(xué)反應(yīng)巧妙結(jié)合,建立了相變遷移驅(qū)動(dòng)的海水直接電解制氫理論模型,揭示了微米級(jí)氣隙通路下界面壓力差對(duì)海水自發(fā)相變傳質(zhì)的影響機(jī)制,形成了電化學(xué)反應(yīng)協(xié)同海水遷移的動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)穩(wěn)定電解制氫方法,破解了有害腐蝕性這一困擾海水電解制氫領(lǐng)域的半世紀(jì)難題(已申請(qǐng)專(zhuān)利:CN2021110197054;CN114481164A;CN2022110704439;CN2022110748884;PCT/CN2022/128225)。

海水無(wú)淡化原位直接電解制氫規(guī)?;夹g(shù)裝備及穩(wěn)定性

與此同時(shí),團(tuán)隊(duì)研制了全球首套400L/h海水原位直接電解制氫技術(shù)與裝備,在深圳灣海水中連續(xù)運(yùn)行超3200小時(shí),從海水中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定和規(guī)模化制氫過(guò)程,令人信服。

此外,團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了酸性和堿性固態(tài)凝膠電解質(zhì),以表明相變遷移策略適配不同電解質(zhì)材料并有望伴隨PEM和AEM電解技術(shù)迭代發(fā)展。同時(shí),該原理技術(shù)可探索推廣到多元化水資源(如河水、廢水、鹽湖等)直接原位制氫,為資源富集濃縮與能源生產(chǎn)提供多效利用新思路。正如《Nature》審稿人對(duì)該研究給予的高度評(píng)價(jià):“這項(xiàng)工作提供了一種有吸引力的策略,可以將非飲用水用于社會(huì)和生態(tài)中可持續(xù)燃料的生產(chǎn),我認(rèn)為這是一個(gè)重大突破!”

“海水無(wú)淡化原位直接電解制氫”融匯多學(xué)科理論,是我國(guó)自主研發(fā)的原創(chuàng)性原理與技術(shù)突破,開(kāi)辟了全球海水制氫的全新路徑;該技術(shù)可集“海上風(fēng)電等可再生能源利用-海水資源利用-氫能生產(chǎn)”為一體,可望形成無(wú)淡化、無(wú)額外催化劑工程、無(wú)海水輸運(yùn)、無(wú)污染處理的原位海水直接電解制氫全新模式,真正意義上將取之不盡的“海水資源”轉(zhuǎn)化為“海水能源”。該技術(shù)未來(lái)可構(gòu)建與海上可再生能源相結(jié)合的一體化原位海水制氫工廠(chǎng),有望成為深遠(yuǎn)??稍偕娏Υ笠?guī)模開(kāi)發(fā)的破局關(guān)鍵,加速推進(jìn)形成多能互補(bǔ)的中國(guó)原創(chuàng)“海洋綠氫”全球新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。

 

閱讀上文 >> 深圳大學(xué)研究成果發(fā)布 破解海水直接電解制氫難題
閱讀下文 >> 美國(guó)《降通脹法案》將使綠色氫能生產(chǎn)商大規(guī)模盈利

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