综述：利用海水电解生产清洁氢能：当前进展与未来前景的综述

《Fuel》：Harnessing seawater electrolysis for clean hydrogen Energy: A critical review on current progress and future prospects

绿氢生产的关键路径与挑战分析，探讨海水电解制氢（SWE）技术潜力，揭示氯析出副反应、电极腐蚀及离子干扰等核心难题，提出催化剂开发、电解质优化及电极保护等解决方案，并评估其技术经济可行性。

　　绿色氢气被视为实现可持续能源未来的关键支柱之一，其生产方法需要具备可扩展性和资源丰富性，以满足全球脱碳目标。在这一背景下，海水电解（SWE）作为一种替代传统淡水电解的方案，展现出巨大的潜力。地球上的海水占据了约96.5%的水资源，远高于淡水的占比（仅约3.5%）。然而，海水的复杂性带来了诸多挑战，包括氯气的副反应（ClER）、pH值波动、离子诱导的电极腐蚀以及阳极沉淀层的形成，这些因素严重制约了海水电解在实际应用中的稳定性和效率。因此，有必要对海水电解技术进行深入且全面的综述，以整合最新的创新思路，推动该领域未来的技术进步。

海水电解技术的发展不仅关乎能源生产方式的转变，也与全球气候治理息息相关。当前，氢气的生产主要依赖于化石燃料，即所谓的“灰氢”，其生产过程会释放大量二氧化碳。相比之下，“蓝氢”则通过碳捕集与封存技术减少碳排放，而“绿氢”则是从可再生能源中提取的，具有零碳排放的优势。随着全球对减少温室气体排放的重视，绿氢被视为一种关键的清洁能源载体。国际能源署（IEA）报告指出，2023年全球二氧化碳排放量增加了4.1亿吨，或增长1.1%。在这一背景下，各国正逐步转向风能和太阳能等可再生能源，以实现2050年将全球气温控制在1.5°C以内的目标。因此，探索将可再生能源转化为化学能的存储解决方案变得尤为重要，而氢气作为这一过程的潜在载体，其重要性日益凸显。

海水电解技术的核心在于如何高效地将水分子分解为氢气和氧气，同时抑制副反应的发生。在电化学水裂解过程中，氧气的生成通常发生在阳极，而氢气则在阴极生成。这两个反应分别需要四电子和两电子的转移过程。然而，海水中的高浓度氯离子（Cl?）会引发竞争性的氯气生成反应（ClER），这一反应不仅降低了法拉第效率（FE），还可能导致电极材料的腐蚀和电解槽寿命的缩短。因此，抑制ClER、提升氧气析出反应（OER）的选择性，以及防止电极污染和结垢，成为实现高效、耐用且经济可行的直接海水电解的关键前提。

尽管海水电解技术仍处于初级阶段，但其潜在的经济和环境效益使其成为研究的热点。传统的水电解技术依赖于高纯度淡水，这在全球范围内面临严重的资源短缺问题。相比之下，海水电解利用丰富的海水资源，结合可再生能源，为绿色氢气的生产提供了一种更加可持续和经济的途径。然而，海水的复杂性也带来了诸多挑战，例如其含有的多种溶解盐类、有机物和悬浮颗粒物，这些成分可能干扰电化学反应，加速电极的劣化。为了解决这些问题，间接海水电解通常需要先进行预处理，如反渗透或净化，以去除杂质。这种方法虽然能有效抑制副反应，但会增加额外的能量和成本负担，从而影响整体的技术经济可行性。

近年来，科学家们致力于开发先进的电催化剂和优化电解槽设计，以提升海水电解的效率和稳定性。传统的贵金属催化剂如铂（Pt）用于氢气析出反应（HER），而铱（Ir）和钌（Ru）基化合物则用于氧气析出反应（OER），这些材料虽然催化活性高，但成本昂贵且资源稀缺，难以大规模应用。因此，研究者们正在探索低成本、高效率且稳定的替代催化剂，例如基于过渡金属的材料。此外，针对海水中的离子组成，科学家们也在开发具有优异耐腐蚀性和抗氯离子干扰能力的电极材料。这些努力不仅有助于提升反应效率，还能够增强电解槽的耐用性，从而推动海水电解技术的商业化进程。

为了进一步提升海水电解的可行性，研究人员还关注了膜技术的发展。质量分离膜在海水电解过程中起到了关键作用，它们能够有效分离电解液中的离子，从而控制反应路径和产物的生成。例如，在阴离子交换膜（AEM）中，固定的季铵基团可以排斥较大的氯离子，同时促进氢氧根离子（OH?）的传输。这种机制不仅有助于减少氯气的生成，还能提高电解过程的选择性和效率。此外，一些创新的膜设计还能够通过调节离子传输特性，降低能耗并延长电解槽的使用寿命。

海水电解技术的未来发展方向还涉及多种新型电解方法的探索，例如解耦超级电容器电解器（DSE）。这种技术通过将电容器与电解器相结合，能够在不依赖传统电极材料的情况下实现高效的海水电解。DSE的优势在于其能够有效缓解氯气副反应带来的影响，同时提升氧气析出反应的选择性。此外，通过引入生物启发的氯离子迁移机制，研究人员能够进一步减少氯离子对电极的腐蚀，提高电解过程的稳定性。这些技术的进步不仅有助于提升海水电解的性能，还能够推动其在实际应用中的大规模部署。

从技术经济角度来看，海水电解的商业化需要综合考虑多个因素，包括能源成本、催化剂价格、电解槽设计以及系统维护的便利性。目前，许多国家和企业已经在推动海水电解技术的试点项目，以验证其在实际环境中的可行性。例如，丹麦的Texel岛项目展示了如何利用海水经过脱盐处理后进行电解，从而生产绿色氢气。这些试点项目不仅为技术的优化提供了数据支持，还揭示了在实际应用中可能遇到的挑战，如电极材料的耐久性、反应动力学的优化以及系统的整体稳定性。

综上所述，海水电解技术作为绿色氢气生产的重要途径，具有巨大的发展潜力。然而，其广泛应用仍需克服一系列科学和工程上的挑战，包括氯离子的干扰、电极材料的耐腐蚀性以及电解过程的优化。通过跨学科的研究和技术创新，特别是电催化剂的开发、电解槽设计的优化以及膜技术的进步，海水电解有望成为未来可持续能源体系中的关键组成部分。随着技术的不断成熟和成本的逐步降低，海水电解有望在全球范围内实现规模化应用，为实现净零排放目标和构建氢能经济提供强有力的支持。