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材料突破、系統設計是核心。

近期，大慶油田成功應用海水制氫電解槽與油田采出污水制取出氫氣，展現了海水制氫技術在面對惡劣水質環境下的優勢。

能景研究根據國內外海水制氫研究文獻，歸納了現階段的2種直接海水制氫電解裝置，一是海水環境電解制氫裝置，二是海水凈化/制氫一體化裝置（根據特點歸納名稱，非正式學術用語），分析了其結構與原理特點，希望有所啟發。

01 海水復雜化學成分給電解槽設計帶來挑戰

海水中存在多種成分會對電解槽長期運行造成危害，其中，最主要的有氯離子、堿土金屬離子等。在陽極，面臨氯離子（Cl-）氧化的副反應挑戰。一方面，氯離子的陽極氧化產物具有氧化腐蝕性。電解槽陽極處于高電位，除將氧負離子氧化為氧氣外，還易將氯離子氧化成氯氣（Cl2）、次氯酸根（ClO-）等具有較強氧化性的副產物，會對電極材料、雙極板金屬材料、甚至下游氣液分離器等造成氧化腐蝕，對部分有機密封材料等也有腐蝕危害。

另一方面，氯離子本身對電極有腐蝕危害。氯離子易與部分金屬元素離子結合形成絡合物，使金屬更易發生溶解從而流失。同時，氯離子還可能與某些種類的陽極催化劑的活性位點產生結合，降低催化劑析氧活性。

在陰極，堿土金屬離子（鈣離子、鎂離子等）沉積造成多種風險。

一方面，沉積物會掩埋陰極表面阻礙反應。海水中高含量的鈣離子（Ca2+）、鎂離子（Mg2+）等堿土金屬離子極易沉積，且由于陰極析氫反應帶來的pH上升乃至形成弱堿性環境將導致形成Ca（OH）2、Mg（OH）2等多種沉積物覆蓋在電極表面，阻礙析氫反應。

另一方面，沉積物電解槽內部結構造成安全風險。電解槽運行時存在高電流、高氣壓等內部環境條件。沉積物堵塞后易形成局部電壓或氣壓過高，造成電解槽內部結構發生擊穿燒蝕、或陰陽極氣壓差失衡從而導致氫氧互滲含量超標，危及生產安全。

電解槽的隔膜同樣受易受海水多種成分毒化。無論堿性電解槽隔膜、PEM隔膜或是AEM隔膜等，都有可能因海水中的溴離子（Br-）、多種堿土金屬離子、有機微生物等發生微觀傳輸結構堵塞或失活，導致電導率下降，產氫量下降，電耗增大。

利用堿性或PEM電解槽直接進行海水制氫，需進行隔膜、電極，乃至極板、輔助系統等全方位升級優化。

02 海水環境電解制氫裝置：材料創新，以新型電極材料直接應對海水環境

此類電解槽結構與堿性電解槽（ALK）或質子交換膜電解槽（PEM）類似，但電解液為海水，通過對陽極、陰極材料等的創新設計，克服海水制氫過程中發生的副反應。

一是開發“防析氯陽極材料”、“防沉積陰極材料”。為緩解海水復雜成分不利影響，新型電極材料研究有在催化劑表面負載選擇性滲透阻擋層、對催化劑進行元素組分及微觀結構設計等多種方案，以阻擋會發生副反應的離子接觸電極，或降低副反應的活性。如中科院寧波材料所、大連化物所等，通過在陽極材料中摻雜硫、硫酸根等成分，降低氯氧化的選擇性，實現了電解海水制氫較長時間穩定運行。

二是采用添加劑，利用有利副反應取代不利副反應。如在海水中通入含硫廢水，在陽極以含硫污染物的氧化分解，取代海水中氯離子的氧化，實現污染物處理的同時避免有害氯氧化物的產生。如國內大連理工大學王治宇教授團隊等提出的節能耦合含硫污染物的海水電解技術，通過引入含硫污染物，使得陽極氧化電位降至1.0V以下，避免了氯氧化，同時實現了降低制氫能耗。

能景研究認為，海水環境電解制氫裝置具有結構簡單成熟、易復制推廣的優勢。其應用轉化的速度，取決于核心材料的發展與突破階段。

03 海水凈化/制氫一體化裝置：結構創新，以膜材料隔離海水直接侵蝕

此類電解槽結構集成了海水凈化膜、堿性電解槽兩部分，直接發生電解制氫反應的仍為傳統KOH溶液等電解液，而非直接電解海水。

以謝和平院士團隊發表在Nature上的海水制氫電解槽為例。其類似于在堿性電解槽外包裹了一層海水凈化膜。膜內為堿性電解液，以及傳統堿性電解槽的核心零部件，有鎳電極、隔膜等部分。膜外為海水，通過聚四氟乙烯膜（類似于滲透膜）與堿性電解液隔開。由于海水濃度低于堿性電解液，在兩者之間的蒸汽壓力差（類似于濃度差）驅動下，海水中的水會自動揮發到堿性電解液中，而海水中的離子、雜質等仍留在膜另一側的海水中。

能景研究認為，“海水凈化/制氫一體化”模式，或將更快實現海水直接制氫產業化突破。“海水凈化/制氫一體化”模式結合了“間接海水制氫”和堿性電解槽的優點，繞開了對耐海水環境的電極材料等的硬性需求。其應用轉化的速度，取決于工程化應用轉化的速度，如膜材料優選、結構進一步優化、耐久性測試等。

來源：能景研究

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       原文標題 : 技術|海水直接制氫的那些挑戰和創新