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文：大嘴社科
編輯：大嘴社科
能源始終是現代社會前行過程中不可或缺的添加劑。而你可能沒有想到，自然界之中最廣泛存在的能源之一就躺在我們的水杯之中：氫能源。
氫元素不僅是最小最輕的元素，也是一種清新、高效且可再生的能源。2023年6月2日，中國電器集團有限公司與謝和平院士的聯手合作，成功地開發出了一種全新的電解氫的技術。
這一技術的颠覆性突破被評為2021年度中國科學十大進展之一，無論是國内還是國際，都在此次突破中看到了無盡的可能。
那麼，這個技術究竟有什麼神奇之處？讓我們先從氫能源的曆史開始講起。
氫，這一宇宙中最為豐富的元素，奇妙地具有燃燒後僅産生水的特性。它不僅守護着我們星球的水循環，更在化學的世界中獨樹一幟。
1766年，英國化學家亨利·卡文迪什将酸與金屬攪合，竟然制得了氫氣，他用盡心血證明，這并非是任何其他化學物質的混合物，而是一個全新的單質。
就在1800年代，英國科學家威廉·尼科爾森和安東尼·卡萊爾發明了電解水的方法，進而揭示了用電能制取氫氣的可能性。
在19世紀末20世紀初，氫開始在能源領域揭開神秘的面紗，它被發現可以用作燃料，驅動汽車、飛機、火箭等各式各樣的交通工具。燃燒過程中，氫氣的産物僅有水，它無聲無息地避開了二氧化碳等溫室氣體的生成。
是以，人們将氫看作一種清潔、高效、可再生的能源。然而，猶如一把雙刃劍，氫的價值和挑戰并存。氫氣不自然存在于地球上，需要從其他物質中提取出來。這就讓制氫的技術和成本問題成為科學家們的新挑戰。
首當其沖的是重整化石燃料制氫法，這個方法可謂是現階段制氫界的“大佬”。
它主要是将天然氣或其他石油産品在高溫高壓的環境中與水蒸汽或空氣進行反應，生成一種混合氣體，其中包含了氫、一氧化碳和二氧化碳。然後通過水汽轉化或壓力擺動吸附等方式，将純淨的氫氣分離出來。
這種方法雖然技術成熟、效率高且規模大，但卻有着成本高、能耗大以及污染嚴重的問題。
其次是煤制氫，這是一種以煤為原料制取氫氣的方法。
這個方法主要有兩個步驟：一是将煤與水蒸汽或空氣反應，産生含有氫、一氧化碳和二氧化碳的混合氣體，然後通過類似的分離過程，分離出純淨的氫氣；二是将煤進行化學加工，如液化、氣化等，生成中間産品，然後再通過重整或電解等方法提取出純淨的氫氣。
盡管這種方法原料豐富、技術可行、規模可控，但它的成本高、能耗大以及污染嚴重的問題也不能忽視。
再者是工業副産氫，這個方法是利用工業過程中産生的含有一定比例氫的混合氣體制取純淨氫氣，主要應用在冶金、化肥、煉油等行業。
這個方法看似是走在環保的道路上，利用了原本被浪費或排放的資源，降低了成本和污染，但卻存在着供應不穩定、品質參差不齊、規模有限的問題。
總的來看，以上三種方法都屬于“灰色制氫”，在制氫的過程中，會産生大量的溫室氣體，如二氧化碳、甲烷等，對環境的負面影響也是不容忽視的。而這，也就促使了科研人員們，一直在尋找更為環保、效率更高的制氫新方法。
近十幾年來，面對碳中和的挑戰，人類急需尋找更清潔、低碳的制氫手段，進入了一場名為“綠色制氫”的科技探索。
綠色制氫的主角無疑是電解水制氫技術，這是一個巧妙的方法，通過電能将水解析為氫氣和氧氣。如果所用的電能源自可再生能源，比如風能或太陽能，那麼這個過程就會變得相當環保，不會釋放任何溫室氣體。
電解水制氫的原理其實非常直覺。陰陽兩個電極之間通入直流電，陽極上的反應使得水分解為氧氣和電子，而陰極上則見證了電子與水或堿性溶液中的氫離子的融合，最終生成氫氣。
根據電解液的性質，電解水制氫又可以細分為堿性電解水制氫、酸性電解水制氫和固态電解水制氫等。這個過程如同一個高效的魔術師，将水變成了氫氣，優點在于清潔、高效、可控，但同時，其高昂的成本、複雜的裝置需求以及穩定性的挑戰也不能被忽視。
電解水制氫需要水，那麼哪個地方水最多呢？當然是海洋。如果我們把視線轉向海洋，用海水來替代淡水作為電解的原料，那麼我們就可以大幅度地節約淡水資源，同時利用海洋中豐富的氫資源。
然而，海水的世界并不是那麼平易近人，它充滿了各種雜質離子，如氯、鈉、鈣等，這些元素可能會成為電解過程的絆腳石，引發諸如腐蝕電極、降低效率、增加能耗等問題。
是以，許多海水電解制氫的技術都需要先進行海水淡化處理，以清除掉這些不受歡迎的雜質離子。但這個淡化過程本身也需要大量的能源和裝置，同時還會産生廢水和廢鹽等副産品，無形中增加了成本和環境負擔。
看上去氫氣的制備此刻似乎已經進入了死胡同，傳統方法污染巨大，環保的方法産量低不夠實用。然而，科技的進步總是給我們帶來驚喜。
中國電器集團有限公司聯手中國工程院院士謝和平團隊，成功開發出了一項可直接從未經淡化的海水中電解提取氫氣的技術，這個創新的成果在2022年11月的《自然》雜志上得到了公布。
這項技術在2022年被評為中國科學十大進展之一，然後在2023年6月，這個新技術在福建興華進行了海上風電無淡化海水電解氫技術中試，不僅大幅降低了制氫成本至0.4元/立方米，更是為未來能源革命掀開了全新的篇章。
這項技術的玄機就在于一個被稱為膜基海水電解器的核心部件。電解器運用了一種防水透氣膜和一種濃氫氧化鉀溶液，巧妙地實作了海水中雜質離子的有效隔離和過濾，使得無淡化海水直接電解制氫成為可能。
我們已經提到過，電解海水需要陰極與陽極之間的直流電，而在非淡化海水直接制取氫氣的技術中，陰極和陽極都經過了防水透氣膜的特殊加工。
首先，我們看看陽極的設計。陽極由鎳基合金制成，這種材料在堿性條件下能穩定地催化水分解為氧氣和電子的反應。
陽極連着一層防水透氣膜，這種由聚偏氟乙烯（PVDF）和聚四氟乙烯（PTFE）制成的膜，它就像一個神奇的“門衛”，阻止水分子的通過，放行空氣中的氧氣。這種設計保證了陽極表面不會積累過多的氧氣，進而提高電解效率和安全性。
緊接着，我們來看陰極。陰極由鉑基合金構成，它在堿性環境中能穩定地催化電子與水或堿性溶液中的氫離子結合，生成氫氣。
陰極同樣連接配接了一層防水透氣膜，這層由PVDF和PTFE制成的膜，就像陽極的那層膜一樣，起到了阻擋水分子、放行氮氣的作用。這也避免了陰極表面氫氣積累過多，進一步提高了電解效率和安全性。
最後，電解液的設計也獨具匠心。電解液是由30%濃度的氫氧化鉀溶液組成，它提供了堿性環境和良好的導電性能，以保證電解過程的順利進行。電解液與兩層防水透氣膜之間，形成了一個薄膜狀的空間。
這個空間宛如一個微小的海洋，能容納一定量的海水，并通過毛細作用吸引海水中的水分子到電解液中。這樣一來，海水中的雜質離子就被有效地隔離和過濾出去，進而實作了無須淡化海水，直接電解制氫的目标。
作為一種制氫新技術，這款膜基海水電解器展現出了令人贊歎的優勢。
由于它跳過了海水淡化的步驟，直接使用未淡化的海水作為電解原料，這大大節省了能源，減少了廢水與廢鹽的産生，有效降低了環境影響。而電解器的電極采用的是常見的鎳基和鉑基合金，這些合金既高效又穩定，抗腐蝕性強，避免了使用特殊材料帶來的成本和技術難度。
此外，電解液選擇的是氫氧化鉀溶液，這種正常溶液的酸堿度、濃度和溫度都恰到好處，保障了電解過程的效率和穩定性，而膜基海水電解器的設計簡潔實用，不依賴複雜的結構或特殊設計，降低了制作成本和技術挑戰。
正是由于這些技術的提升，我們可以說電解海水制氫技術真正實作了低成本，低污染，高産量的三重需求，一旦投入大規模使用，這就将是革命性的優秀成果。
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