直接海水电解作为获取绿色氢能的一种方法，具有广阔的前景。随着可再生能源技术的不断发展和成本的降低，直接电解海水的前景变得越来越有吸引力。这种方法不仅可以为能源存储和转换提供可靠的解决方案，还可以摆脱传统电解水装置对纯水的高度依赖。然而，由于海水的复杂组分，直接电解海水仍然面临许多挑战，其中包括不可避免的电催化副反应。这些挑战限制了直接海水电解技术的发展和进步，需要进一步的研究和创新来克服。
3月17日，澳大利亚阿德莱德大学金桓宇博士、Michael Goodsite教授团队与武汉纺织大学万骏教授合作在Cell Press细胞出版社旗下期刊One Earth上发表了题为“Advancing direct seawater electrocatalysis for green and affordable hydrogen”的综述文章。该综述通过系统分析电催化海水裂解的进展，发现催化剂与电解质的优化改性、测试标准的制定以及原位脱盐装置的设计是加速可持续与低成本海水电解的关键。
研究亮点
1.直接海水电解比纯水电解更具实际应用价值。
2.针对影响直接海水电解的两个关键因素，即高效稳定的催化剂与电解装置的发展，进行了系统性的分析与讨论。
3.从材料、化学、工程、环境与社会经济等多角度对直接海水电解面临的机遇与挑战进行了讨论。
4.测试标准的制定、高效稳定催化剂与原位脱盐装置的设计是加速可持续与低成本海水电解的关键。
综述简介
用于电解水体系的能源电催化材料和器件是绿色氢能高效制备的核心技术，对实现2050年“零碳排放”目标至关重要。现阶段，基于淡水体系的商业电解水装置已经有效实现氢能源的高效制备。但可持续能源（太阳能、风能等）主要集中于干旱缺水地区，无法实现绿色氢能的大规模可持续制备。因此利用海洋可持续能源驱动的海水、盐碱水直接裂解制氢更有利于绿色氢能的发展。目前，为了解决海水中复杂组分对电极的腐蚀问题，通常需要对海水进行初步净化和深度提纯，这本质上无异于淡水裂解。该综述通过系统分析电催化海水裂解的进展，发现催化剂与电解质的优化改性对克服阳极氯化学反应与阴极氢氧化钙/镁反应极具潜在价值。揭示出直接海水电解的两个关键因素：高稳定催化剂与电解槽装置。阐明新型电极材料与电解槽结构对电解稳定性和高能耗的有效改善。提出测试准则的制定、稳定催化剂与原位脱盐装置的设计是加速可持续与低成本海水电解的关键。
图1 面向直接海水电解的可持续再生能源系统。
作者专访
Cell Press细胞出版社特别邀请研究团队进行了专访，请他们为大家进一步详细解读。
CellPress：
请问是哪些重要因素促使您对直接海水电解制氢这个议题开展了该综述研究？
金桓宇博士：
氢能源的可持续发展是实现“碳达峰、碳中和”战略目标的关键核心。围绕氢能绿色制取和高效利用的电解水制氢技术是真正意义上的“零排放”可循环清洁能源体系。现阶段，绿氢的发展空间与可持续能源的价格直接挂钩，因此在富集可持续能源地区建立大规模产氢站是一种理想的低成本制备绿氢途径。然而，可持续能源富集区域通常处于外海或者沙漠地带，十分缺乏淡水资源，进而制约了绿氢的产业化进程。以澳大利亚为例，澳洲的太阳能资源十分丰富，部分沿海地区的太阳年辐照总量可达7621～8672 MJ m-2，但是这些地区的淡水资源十分匮乏。因此，在这些地区建立直接海水电解系统可以为绿氢的规模化制备提供一种可行性方案，这促使了我们对直接海水电解制氢开展了综述研究。
CellPress：
请问您在进行综述研究的过程中遇到了哪些困难，又是如何克服的？
于慧敏博士：
直接海水电解制氢仍处于早期研究阶段，海水中的复杂成分对于电解过程的影响还未被充分理解。针对此困难，我们将电解过程分解为阴极和阳极反应，并针对不同电极所受海水影响以及现有解决方案进行综述研究。其次，基于反向渗透海水淡化技术的成熟发展，间接海水电解（反向渗透耦合纯水电解）现阶段的经济效益似乎远高于直接海水电解。针对此问题，我们通过大量查阅资料发现，反向渗透技术所得水无法达到商用的质子交换膜（PEM）电解槽的纯度要求，而多步的海水纯化过程又会大大增加成本。此外，通过对稳定催化剂的合成，商用电解槽的改装或者海水电解槽的设计，使直接海水电解在经济和应用方面更具可能，文中已进行详细阐述。
在这里也特别感谢审稿人对这个工作的大力支持。作为一个电化学团队，我们在撰写综述时往往会聚焦于电化学领域内的科学问题进行剖析，而一定程度上忽略了该领域的发展对于多学科以及整个社会的影响。在这方面的经验匮乏也成为整个综述撰写过程中的一大难点。在审稿人的专业指导下，我们从多方面、多角度对直接电解海水进行了更全面的分析，希望能够对多领域的发展提供一些见解。
CellPress：
国际能源署（IEA）在其2022年底发表的全球能源展望中，特别强调了电解制氢对于实现2050净零目标的重大意义。在此背景下，您能否简述一下本综述的几个重要结论及其重要意义？
万骏教授：
影响海水直接电解的两个关键因素是高稳定催化剂与新型电解槽装置的研发。改善催化剂的高选择活性和降低氢成本仍是该领域的主要研究目标。通过对高性能催化剂与电解槽装置的优化设计，海水直接电解的成本将被大幅降低，使其更具商用价值。
海水直接电解比淡水电解更具实际应用价值，但其实用性发展有待挖掘。合理利用海洋经济的发展契机，例如低成本的海洋交通、丰富的可再生能源资源和现有的海上油气基础设施，将为开发直接海水电解提供理想平台。利用沿海地区丰富的可再生资源，部署直接海水电解基础设施能够降低海洋交通的二氧化碳排放，同时创造更多新的行业和就业机会来促进蓝色经济。此外，海水作为氢气生产的原料，生产的氢气被利用后又会产生淡水。这些淡水可以直接被收集和使用，或者用来补给原本是咸水的含水层和水库。这能极大促进初级生产（农场和淡水渔业），从多方面解决偏远地区发展问题。
CellPress：
基于该综述研究的成果，您和您的团队后续有意围绕哪些研究方向开展相关工作？
金桓宇博士：
针对海水电解现存问题，我们后续将有三个研究重心。一是对高催化活性以及稳定性的电解海水催化剂的研发。二是以阳极耦合的新型电催化氧化反应作为研究对象，开发高值化学品的低碳合成技术，从而降低电解海水的整体能耗及成本。最后一点是针对海水电解槽的原位脱盐系统进行合理性设计与制造，使其能够真正用于真实海水电解。
主要作者简介
于慧敏
助理研究员
于慧敏，澳大利亚南澳大学未来产业研究所助理研究员。本科毕业于西北工业大学，硕士毕业于华中科技大学，博士毕业于南澳大学。长期从事可再生能源材料的制备及其在能源存储与转化，光热海水淡化领域的应用研究。
万骏
教授
万骏，1990年生，武汉纺织大学特聘教授，化学与化工学院应用化学系副主任。湖北省楚天人才计划。纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室徐卫林院士团队骨干成员。本、博及博士后毕业于华中科技大学。新加坡南洋理工大学访问学者。长期从事清洁能源材料的新型微波制备与高性能智能纺织品的研究。主持国家自科基金、省自科基金、省教育厅人才项目、中国博士后基金、国家重点实验室基金等10项。以第一及通讯作者发表论文20余篇。已授权中国发明专利4项。担任武汉纺织大学学报等期刊编委、新加坡Viser专家库材料专家委员会委员。
金桓宇
研究学者
金桓宇，澳大利亚阿德莱德大学可持续能源与资源研究所研究学者（Future Making Fellow）、博士生导师。本科毕业于华中科技大学，硕士毕业于香港理工大学，博士毕业于阿德莱德大学。研究方向聚焦能源电催化材料与器件的设计、材料-界面功能化等方面的研究，致力于实现绿色能源的高效转化以解决可持续发展面临的材料-物性-能源问题。在国际著名学术期刊上发表论文30余篇，论文总引用7200 余次，H 因子29。入选斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”榜单。担任2D Materials期刊编委，InfoMat、Journal of Energy Chemistry期刊青年编委。
