中國教育報(bào)-中國教育新聞網(wǎng)訊(通訊員 婁卓男 李世卓 王若琳 記者 劉盾)近日,中國工程院院士謝和平與他指導(dǎo)的深圳大學(xué)、四川大學(xué)博士團(tuán)隊(duì),以深圳大學(xué)為第一單位在《自然》雜志上發(fā)表了研究成果。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)的海水無淡化原位直接電解制氫全新原理與技術(shù)。該研究另辟蹊徑,徹底隔絕海水離子,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了無淡化過程、無副反應(yīng)、無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。這破解了海水直接電解制氫的難題,可望形成中國原創(chuàng)的“海洋綠氫”全球新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。
《自然》雜志評(píng)審專家評(píng)述該成果:“很少有論文能夠令人信服從海水中實(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)。他們完美解決了有害腐蝕性這一長期困擾海水制氫領(lǐng)域的問題,將打開低成本燃料生產(chǎn)的大門,有望推動(dòng)變革走向更可持續(xù)的世界!”
據(jù)介紹,綠色零碳?xì)淠苁俏磥砟茉窗l(fā)展的重要方向。海洋是地球上最大的氫礦,向大海要水是未來氫能發(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)前較成熟的海水制氫技術(shù)路徑,目前已在全球多國開展規(guī)?;痉豆こ添?xiàng)目。但該類技術(shù)嚴(yán)重依賴大規(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)一步增加了制氫成本與工程建設(shè)難度。
20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?半個(gè)世紀(jì)以來,國內(nèi)外多個(gè)知名研究團(tuán)隊(duì)通過催化劑工程、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。然而一直未有突破性的理論與原理能夠徹底避免海水復(fù)雜組分對(duì)電解制氫的影響,可規(guī)?;母咝Х€(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),從而開創(chuàng)了海水無淡化原位直接電解制氫新原理與技術(shù)。該成果通過將分子擴(kuò)散、界面相平衡等物理力學(xué)過程,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。
與此同時(shí),謝和平院士團(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)行超過3200小時(shí),從海水中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定和規(guī)?;茪溥^程。此外,該研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步開發(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。據(jù)悉,該原理技術(shù)可探索推廣到河水、廢水、鹽湖等多元化水資源直接原位制氫,為資源富集濃縮與能源生產(chǎn)提供多效利用新思路。正如《自然》雜志審稿人對(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!”
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