来源 |科普中国
氢能在国家新型能源体系建设中占据重要位置，它来源于哪儿？是一种新发现的能源吗？有何应用？
氢能是一种新发现的能源吗？
氢能指的是氢气和氧气进行化学反应释放出的化学能，氢气并不能直接从自然界中获取，因此氢能属于二次能源。人类对氢气的发现、认识和应用已经超过400年。
最早在16世纪，瑞士化学家发现将“铁”溶解在硫酸中的过程会释放一种神秘气体，这是人类对氢气最早的描述。1783年，法国化学家拉瓦锡根据氢气和氧气反应产生水，以“成水的元素”赋予了这种神秘气体新的名字。从那以后，氢气逐渐被大众熟知，对氢气用途的研究也越来越多。由此可见，氢气并不是“新面孔”而是“老朋友”。
氢气在生活中的应用
虽然我们在生活中接触氢气的机会并不像接触氧气、氮气等那么多，但是氢气却在我们的生活中有着不可替代的作用。
氢气的密度远小于空气，填充氢气的气球可以轻松地漂浮到上万米高空。携带探测器的氢气球是气象探测的重要工具，它可以收集各种气象数据，为天气预报和气候研究提供重要支持。
在工业领域，氢气是合成氨、甲醇等工业用品的重要原料之一，在化工生产中占有重要地位。此外，在冶金行业，氢气常被用作还原剂和保护气，特别是在钢铁行业的减碳发展中，“氢冶金技术”是重要的技术路径。
在交通领域，车辆尾气排放带来的环境问题日益加剧，氢气作为“绿色燃料”受到了研究者的广泛关注。氢气可以通过氢燃料电池发电，为车辆提供驱动力。该过程只生成水，不会排放对环境有污染的物质，符合环保和可持续发展的要求。
在电力领域，氢气主要扮演着储能的角色。氢气储能电站通过电解水制取氢气，将电能以化学能方式储存在氢气中，当需要用电时再利用氢气发电，不仅解决了可再生能源发电的间歇性问题，还提供了稳定可靠的电力供应。
在航天领域，氢气作为火箭推进剂，能够提供巨大推力，使火箭顺利进入太空。此外，氢气燃料电池可以作为航天器的动力系统，具有能源效率高、排放低、噪音小的特点，能够为飞行器提供持久稳定的动力，满足长时间航行需求。
氢气的来源
氢气作为一种重要的能源载体，根据制备方式的不同可分为灰氢、蓝氢和绿氢。
灰氢是指通过化石燃料如天然气、石油等经过重整或气化等过程产生的氢气。由于其主要原料天然气的资源丰富，灰氢价格相对较低。但是，灰氢的生产过程会排放大量二氧化碳，对环境造成负面影响。
蓝氢是在灰氢基础上，结合碳捕集、利用与封存技术获取的氢气。该技术可以捕捉和封存灰氢制取过程中所产生的二氧化碳，从而减少环境污染。由于碳捕集和封存技术需要额外的投资和运营成本，蓝氢的生产成本相对较高。然而，从环保角度来看，蓝氢相较于灰氢更具优势，是一种过渡性清洁能源。
绿氢是指利用可再生能源（如太阳能、风能等）发电，通过电解水方式产生的氢气。其生产过程无碳排放，符合低碳环保理念。绿氢的生产成本主要受制于电解水技术和可再生能源发电技术成本，因此价格更高。
大海能“产出”氢气吗？
大海蕴含着丰富的资源，采用电解海水方式可以制取氢气。这不仅可以将海水变为电解水原料，还可以直接利用风能、潮汐能等可再生能源发电，为电解海水提供电能，这种方式具有很好的经济性，可以有效降低制备绿氢的成本。
但是，海水具有很强的腐蚀性，对电解设备提出了很高的要求。此外，海洋中的波浪对电解过程的稳定性也带来了很大挑战。
2024年6月21日，中国科学家在《自然-通讯》（Nature Communications）期刊上发表了关于在波浪运动不可控的海洋中，利用浮动平台进行原位直接电解海水的研究，该文章表示，在海洋中电解海水制氢将成为可能。
研究成果发表于《自然-通讯》（Nature Communications）期刊。图片来源：参考文献[1]
研究者通过将分子扩散、界面相平衡等物理力学过程与电化学反应巧妙结合，建立了相变迁移驱动的海水直接电解制氢理论模型。在该模型中，采用具有超疏水性和离子阻隔效应的防水透气层，可以有效隔离海水中的杂质，仅允许海水以水分子形态扩散。
海水的高饱和蒸气压与高浓度电解质的低饱和蒸气压之间存在一种推动力，能促进水分子“海水侧气化-膜内扩散-电解质侧液化”的自发相变迁移过程，为电解水反应提供低离子浓度的淡水，解决了海水对电极的腐蚀问题。
并且，电解水反应与海水的迁移速率具有动态自调节的特性，即当电解速率大于水迁移速率时，界面水蒸气压差会提高水迁移速率以满足电解水过程需求。
基于电解水反应与海水迁移速率动态自调节的特性，研究者通过揭示不同区域（深圳湾、兴化湾）海水组分浓度变化与界面水蒸气压差的关系，阐明了电解海水反应对海洋波动的自适应性，并且该自适应性也同样降低了不同海浪波动模式对电解反应的影响。
在实验室模拟海洋环境下，研究者实现了500小时以上电解海水制氢的稳定性测试，验证了电解系统、防水透气层等核心关键部件在复杂环境下的耐受性与抵御能力。
a.风力发电机组示意图；b.涡轮功率随风速的波动；c.浮动平台在波动环境下的压力和应力分布；d.海洋中浮动平台的方位；e.海上风向玫瑰图；f.风力涡轮机网络与漂浮平台照片。图片来源：参考文献[1]此外，该研究团队还与企业联合设计研制了直接电解海水制氢漂浮平台，在福建省兴化湾3级-8级大风、0.3米-0.9米海浪干扰下，与海上风电直接对接，连续稳定运行10天，海水杂质离子阻隔率高达99.99%以上，制氢纯度达到99.9%-99.99%。该研究成果创建了海水原位直接电解制氢全新模式，真正意义上实现了将“海水资源”转化为“海水能源”。充分利用绿色能源是促进生态可持续发展的必经之路，科学家们提出了很多创新技术，为全球环保事业注入了不竭的动力，让我们在追求绿色环保的道路上加油前行。
参考文献
[1] Liu T, Zhao Z, Tang W, et al. In-situ direct seawater electrolysis using floating platform in ocean with uncontrollable wave motion[J].Nature Communications, 2024.
[2] Guo J, Zheng Y, Hu Z, et al. Direct seawater electrolysis by adjusting the local reaction environment of a catalyst[J].Nature Energy, 2023.
[3] 徐京辉,王宇超,殷雨田,等.工业电解海水制氢技术及电极材料研究进展[J].低碳化学与化工, 2024.
[4] 舟丹.什么是灰氢,蓝氢和绿氢[J].中外能源, 2021.
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出品丨科普中国
作者丨石畅 物理化学博士
监制丨中国科普博览
责编丨董娜娜
审校丨徐来 林林
