《化学世界》近日刊文，对全球海水直接生产绿氢的前景进行解析。
技术挑战与突破：从实验室到中试的跨越
在中国珠海珠江口西岸，北京化工大学（BUCT）与中国海洋石油总公司（CNOOC）正联手建设一座中试工厂，目标是利用可再生能源直接将海水分解为氧气与氢气，以削减石化行业的碳足迹。这一探索面临两大核心难题：海水的强腐蚀性与可再生能源（风能、光伏）的间歇性。
催化剂与电极材料的革新
抗腐蚀催化剂的突破：孙晓明团队于今年 3 月在《自然》杂志发表的论文中，展示了一种名为 NiCoP-Cr₂O₃ 的电催化剂。其表面可形成磷酸盐基保护层，能抵御海水中卤离子的吸附与氧化侵蚀，即便在电解槽频繁启停（模拟可再生能源间歇供电）的场景下，仍可重新活化并维持氢气产出效率。
电解槽技术路线选择：该团队放弃质子交换膜（PEM），采用阴离子交换膜（AEM）系统。AEM 通过聚合物电解质分隔电极，避免溶液间的物质渗透，但需解决氢氧离子对聚合物的降解问题，目前尚未大规模商业化。
间歇性供电的应对策略
可再生能源的波动性导致电力过剩与短缺交替出现。埃克塞特大学朱利安·格雷戈里指出，利用过剩电力电解海水生产绿氢，是比大规模电力储存更经济的方案——尽管海水直接电解需攻克技术难关，但相比海水淡化后再电解，其潜在成本优势与空间适应性（如海上平台无需额外安装淡化设备）颇具吸引力。
技术路线之争：直接电解 vs 海水淡化
淡化后电解的成本与局限
成本增量：海水淡化仅增加最终氢成本的几个百分点，但要获得 PEM 电解槽所需的高纯度水，成本将大幅上升。例如，沙特 NEOM 绿色制氢工厂计划 2026 年投产，通过 4 吉瓦可再生能源驱动海水淡化，日产能达 600 吨氢气，但其规模是珠海中试项目的 4000 倍。
空间与场景限制：海上平台或偏远地区（如沙漠）难以部署大型淡化设备，而直接电解可简化系统，减少维护需求。
直接电解的创新解决方案
无膜电解技术：美国 Shyp 公司开发的无膜系统避免了 PEM 膜的高成本与脆弱性（PFAS 材料的环境风险与易损性），其技术细节未公开，但可副产氢氧化物以补贴成本，计划 2028 年在鹿特丹部署中试装置。
氧化还原介质系统：格拉斯哥大学马克·西姆斯团队设计的电解槽采用允许钠离子通过的膜，搭配多金属氧酸盐（如硅钨酸）作为“电子载体”，将质子运输至催化室生成氢气，类似血液携带氧气的机制，避免膜堵塞问题。其衍生公司 Clyde Hydrogen Systems 正推进商业化，首台演示设备日产能 1 公斤氢气，计划逐步扩大至 10 公斤。
应用场景与商业化前景
利基市场的先发优势
石油与化工行业：中石化青岛炼化工厂利用附近太阳能电站电力，建成日产能 16 公斤的海水电解装置，计划将绿氢用于炼油过程中的大分子裂解与脱硫脱氮，同时为氢燃料汽车供能。
尽管哥伦比亚商学院 Gernot Wagner 指出氢燃料汽车效率低于电动车，但化工领域的“灰氢替代”仍是绿氢最具经济可行性的场景——高盛研究表明，绿氢结合碳捕获技术，可在化工生产中以最低成本实现碳减排。
海上与偏远环境：中海油考虑将海水电解用于浮动平台，因平台空间有限，无法安装淡化设备，且直接电解可在可再生能源中断时提供备用能源。
规模化挑战与成本瓶颈
技术成熟度差距：目前直接电解海水中试项目规模相对较小，而沙特 NEOM 等大型绿色氢氨项目依赖淡化技术已实现规模化。孙晓明团队的催化剂虽解决腐蚀问题，但需证明其在工业级电解槽中的长期稳定性。
成本与投资缺口：Wagner 强调，电解槽成本需大幅下降才能与灰氢竞争，尽管隆基等企业已入局，但全球投资仍处于早期阶段。绿氢的经济性依赖规模化生产，而其推广又受制于技术突破速度。
环境与产业影响：从替代到革新
环境效益与潜在风险
减碳潜力：直接电解海水若规模化，可避免淡化过程的额外能耗，且绿氢替代灰氢（目前占化工用氢主流）可显著降低碳排放。
材料与污染问题：传统 PEM 膜含 PFAS（“永久化学物质”），处置时存在环境风险，而无膜技术与新型催化剂（如 NiCoP-Cr₂O₃）的环境友好性仍需长期验证。
能源体系革新的催化剂
直接海水电解技术的成熟可能重塑能源格局：在脱碳目标驱动下，绿氢可作为化工、钢铁等难以电气化行业的“过渡能源”，同时为海上风电、偏远地区可再生能源消纳提供出口。尽管当前技术仍处萌芽期，但其与氢能经济的绑定，已吸引能源巨头（如中海油）与科技企业（如隆基）布局，成为全球碳中和竞赛的关键一环。
总结
直接从海水中生产绿色氢气，既是对“水—能源—气候”三角难题的破局尝试，也是一场技术与经济的双重博弈。从珠海的中试装置到格拉斯哥的实验室创新，科学家与企业正逐步攻克腐蚀、成本与效率关卡。尽管前路仍有淡化技术竞争、规模化瓶颈等挑战，但在能源转型的迫切需求下，这一“自找麻烦”的探索，或许正是打开未来绿色能源之门的钥匙。
【信息来源：化学世界】