能源利用

氢气是一种清洁、高效、可再生的能源，被认为是能够助力人类实现可持续发展的绿色能源。但是，要想大规模地利用氢气，就需要解决一个难题：如何从海水中制造出足够多的氢气。让我们一起看看中国科学家是如何攻克这一难题的吧！

氢气也分灰、绿、蓝？

氢能源推广应用的前提是大规模生产氢气。工业上的制氢方式是以煤炭、石油、天然气为原料，这不但耗费日益枯竭的化石能源，而且会产生大量的温室气体二氧化碳，环境友好程度低，因此被称为“灰氢”。

为了实现节能减排的目标，在传统“灰氢”生产中使用先进的碳捕获技术，可以降低碳排放量，如此得到的氢气被称为“蓝氢”。

而更吸引人的是“绿氢”，也就是利用太阳能、风能、潮汐能等清洁能源来生产氢气。

海洋：巨大的“氢矿”

如图1所示，水在通电的情况下可以发生分解，即在阴极上产生氢气，在阳极上产生氧气。基于这个电解水原理，把太阳能、风能、潮汐能等间歇式的清洁能源转化为电能，应用到“绿氢”生产上，成为实现能源转化和储存的良方。而水是生产氢气的极佳原料，因此，电解水制氢成为科学家研究的热点。

但知易行难，电解水制氢技术的应用还需要攻克很多科学技术难题。例如，如何在更省电的情况下生产更多的氢气，即提高从电能到氢能的转换效率。为此，材料化学专家正努力通过开发新型高效的电催化剂来攻克这个难关。

另外，目前电解水制氢使用的都是纯净的液态水，如何在节水条件下高效制氢呢？研究人员将目光转向了海洋——地球水资源的宝库。海洋占全球面积的70.8%，海水占地球水资源总量的96.5%。海洋就是一个巨大的“氢矿”！

像冲锋衣一样的神奇薄膜

电解海水生产氢气显然是个妙招，但困难也随之而来。我们知道，海水是苦咸的，这是因为海水里除了水之外，还含有大量其他化学物质，主要成分是氯离子、钠离子、硫酸根离子、镁离子、钙离子、钾离子、碳酸氢根离子、溴离子、锶离子、硼酸分子和氟离子。

氯离子和镁离子是干扰电解海水制氢的主要杂质。这是因为，在电解过程中会发生氯离子转化为氯气的副反应，并与氧气的生成产生竞争；镁离子会生成不易溶解的氢氧化镁，并沉积在电极表面，从而使电催化剂失去作用，影响电极的寿命。如果将海水淡化后再用来电解水制氢，必将带来额外的能源消耗，可谓得不偿失。

庆幸的是，中国科学家巧妙地把海水蒸发淡化与电解水结合起来，实现了海水的稳定、高效电解制氢。如图2所示，研究人员使用聚四氟乙烯（一种高分子聚合物，可作“不粘锅”涂层）薄膜把海水和电解装置隔离开，这层膜就像冲锋衣一样防水但是透气，海水蒸发产生的水蒸气可以透过它向电解装置内部扩散，而杂质仍然留在海水中不能通过。水蒸气遇到聚乙烯醇（一种亲水性高分子聚合物）和氢氧化钾的复合水凝胶电解质后，又会凝结成纯净的液态水。

随着氢气和氧气的释放和导出，纯净的液态水逐渐减少，在压强差的作用下，海水中的水蒸气继续向电解装置内部输送，源源不断地补充电解所需的原料，使电解水过程持续发生。这样的装置在深圳湾的海水中可以稳定运行达3200小时，性能可与使用纯水的工业碱性电解设备媲美。

中国科学家的这项研究成果为大规模海水电解制氢带来了希望。未来，可以利用海洋上丰富的太阳能、风能、潮汐能等，实现高效、清洁的“绿氢”生产，到海洋中开采“氢矿”将不再是梦想！

（作者单位：上海海洋大学）

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