综述：直接海水电解制绿氢技术的进展：新兴技术与未来展望

《Science Bulletin》：Advances in direct seawater electrolysis for green hydrogen production: emerging technologies and future perspectives

海水电解制氢技术通过利用可再生能源和丰富海水资源，缓解淡水短缺与制氢成本压力。研究系统分析了DSE技术原理、催化剂与电解器设计进展及现存挑战，指出需突破催化剂活性/稳定性平衡及电解质抗污染等瓶颈，为沿海干旱地区绿氢生产提供新路径。

　　随着全球对可再生能源需求的不断增长以及地球环境状况的日益恶化，发展清洁、可持续的能源解决方案已成为迫切需要。其中，绿色氢能作为一种关键的能源转型元素，被认为能够推动交通运输、工业和电力等领域的脱碳进程，并促进跨行业的协同效应。然而，当前的绿色氢能生产主要依赖于淡水的电解过程，这在一定程度上加剧了全球淡水资源的紧张局面。因此，利用海水直接进行电解以生产氢气（Direct Seawater Electrolysis, DSE）逐渐成为研究的热点，其优势在于可以避免对淡水的过度依赖，同时利用广泛存在的海水资源和可再生能源。然而，海水的复杂成分对催化剂和电解装置的设计提出了更高的要求。尽管近年来已有大量研究关注DSE的催化剂和电解装置，但目前仍缺乏系统性地整合两者的研究综述。本文旨在填补这一空白，提供一个全面而系统的分析，探讨DSE在绿色氢能生产中的价值，并深入探讨催化剂和电解装置的设计现状、面临的挑战以及未来发展方向。

从全球视角来看，淡水是当前氢气生产的主要原料，而海水占地球总水量的96.5%，广泛分布于世界各地。海水具有天然的电解质特性，其盐分含量约为3.5 wt%，相当于0.5 mol/L的NaCl溶液。这种高盐度使得海水可以直接作为电解液，无需额外添加大量的导电电解质，如KOH、NaOH或H?SO?，从而降低了对外部电解质的依赖。此外，海水的电导率远高于淡水，约为5 S/m，而淡水的电导率仅为5.5×10?? S/m。这意味着在相同条件下，海水电解的能耗更低，效率更高。因此，利用海水进行电解不仅有助于缓解淡水资源短缺的问题，还能实现更加经济高效的绿色氢能生产。

然而，海水的复杂成分也带来了诸多挑战。例如，海水中的杂质离子，如Mg2?、Ca2?、Fe3?等，可能对电解装置中的膜和电极造成腐蚀或性能下降。这不仅影响了电解过程的稳定性，还增加了设备维护和更换的频率，进而提高了整体成本。因此，为了实现高效的海水电解，必须对这些杂质离子的影响进行深入研究，并开发相应的防护措施或改性方法。同时，催化剂在海水电解过程中也面临性能优化的问题。目前，多数催化剂在海水环境中表现出较低的活性和选择性，且在长时间运行中容易发生降解。这限制了海水电解技术在实际应用中的推广。因此，研究者们正在探索新的催化剂设计策略，以提高其在海水环境中的稳定性和效率。

在实际应用中，DSE技术可以为特定地区提供可持续的氢能解决方案。例如，在淡水资源稀缺但海水资源丰富的沿海地区，如非洲、中东、美国西海岸和澳大利亚沿海，海水电解可以成为一种理想的替代方案。这些地区通常拥有丰富的风能和太阳能资源，可以为电解过程提供稳定的可再生能源输入。通过将这些可再生能源与海水电解技术相结合，不仅可以实现高效、清洁的氢能生产，还能有效解决能源储存和供应不稳定的问题。例如，澳大利亚计划成为未来的主要氢能出口国，利用其丰富的风能和太阳能资源进行氢气生产，并通过液化和海运的方式出口氢能。这种模式不仅有助于满足全球对氢能的需求，还能在一定程度上缓解淡水资源短缺的压力。

尽管DSE技术在理论上具有诸多优势，但在实际应用中仍需克服一系列技术障碍。首先，催化剂的设计和性能优化是DSE技术发展的关键环节。目前，多数催化剂在海水环境中表现出较低的活性和选择性，这限制了其在实际应用中的效率。因此，研究者们正在探索新型催化剂材料，如金属氧化物、硫化物、碳基材料等，以提高其在海水环境中的催化性能。同时，催化剂的稳定性也是一个重要问题，因为海水中的杂质离子可能导致催化剂的腐蚀或降解。因此，需要开发具有更高稳定性的催化剂材料，并研究其在不同条件下的耐久性。

其次，电解装置的设计和优化同样至关重要。DSE技术的电解装置需要具备更高的耐腐蚀性和耐久性，以应对海水中的杂质离子和高盐度环境。此外，电解装置的结构设计也需要考虑如何提高其整体效率和稳定性。例如，膜材料的选择和优化对于防止杂质离子的渗透和提高电解效率具有重要意义。同时，电解装置的运行条件也需要进行优化，以确保其在海水环境中的长期稳定运行。因此，研究者们正在探索新的电解装置结构和材料，以提高其在海水环境中的性能。

在实际应用中，DSE技术的推广还受到经济和政策因素的影响。尽管海水电解技术在理论上具有较高的经济可行性，但在实际应用中仍需考虑其建设和运行成本。例如，海水电解装置的建设成本可能较高，而运行成本则受到海水处理和电解过程效率的影响。因此，需要进一步研究如何降低海水电解装置的建设和运行成本，以提高其经济可行性。此外，政策支持也是推动DSE技术发展的重要因素。各国政府正在制定相关政策，以鼓励可再生能源和绿色氢能的发展。例如，一些国家已经制定了大规模氢能经济的计划，并提供了相应的资金支持和技术指导。这些政策支持对于DSE技术的推广和应用具有重要意义。

综上所述，DSE技术在绿色氢能生产中具有广阔的应用前景，但其发展仍需克服一系列技术障碍。催化剂的设计和性能优化、电解装置的结构和材料改进、以及经济和政策支持等因素，都是推动DSE技术发展的重要环节。未来，随着材料科学和工程技术的进步，DSE技术有望实现更高的效率和稳定性，从而成为可持续氢能生产的重要手段。同时，DSE技术的推广也将有助于缓解全球淡水资源短缺的问题，促进可再生能源的广泛应用。因此，研究者们需要进一步深入探讨DSE技术的各个方面，以推动其在实际应用中的发展和推广。