海水电解制氢：技术进展、研究趋势与可持续能源转型

《International Journal of Hydrogen Energy》：Electrochemical hydrogen production from seawater: Technological advances and research trends

本期推荐一篇关于海水电解制氢的综述性研究。为解决淡水资源有限、传统电解制氢对淡水依赖性强以及海水复杂组分带来的电极腐蚀、氯气竞争析出等挑战，研究人员对2015-2025年间的511篇文献进行了计量学分析与技术评述。研究系统梳理了全球科研产出、关键技术趋势（如耐腐蚀电催化剂、选择性膜）及领先国家/机构（中国主导），论证了海水电解作为可持续绿氢生产路径的可行性，对实现联合国可持续发展目标（SDG 6, 7, 13）具有重要意义。

　　

想象一下，一个能源系统可以不依赖化石燃料，也不与人类争夺宝贵的淡水资源，而是从覆盖地球表面超过96%的海水中，源源不断地提取清洁的氢能。这听起来像是未来科技，但正是全球科学家们正在奋力攻关的前沿领域——海水电解制氢。氢，作为一种高热值、零碳排放的能源载体，被视为能源转型的关键。传统的电解水制氢技术虽然成熟，但其核心原料——高纯度淡水，在沿海、干旱地区本身就可能是一种稀缺资源，这无疑限制了其大规模应用。与此同时，浩瀚的海洋蕴藏着近乎无限的水资源，似乎是完美的解决方案。然而，大自然馈赠的“原料”并不纯粹，海水中高浓度的氯离子（Cl^-）、钙离子（Ca²⁺）、镁离子（Mg²⁺）等，如同设下了一道道技术障碍：它们会猛烈腐蚀电极，在电极表面结垢，更棘手的是，氯离子会在阳极与制氢所需的氧析出反应（Oxygen Evolution Reaction, OER）竞争，生成腐蚀性、有毒的氯气（Cl₂）或次氯酸盐，这不仅大幅降低制氢效率，更严重威胁设备的长期稳定运行。那么，我们能否“驯服”海水，让它成为可靠的绿氢“矿藏”？为了回答这个问题，一个由巴西国际非洲-巴西卢索芬尼亚大学一体化与可持续发展工程研究所的研究团队，对2015年至2025年间该领域的全球研究进展进行了一次全景式的扫描与评估。他们通过文献计量学（Bibliometric Analysis）与深入的技术综述相结合的方法，绘制了海水电解制氢领域的研究版图，揭示了谁在引领研究、技术路在何方，以及距离规模化应用还有哪些难关需要攻克。这项研究成果发表在能源领域的知名期刊《International Journal of Hydrogen Energy》上。

为了系统回答上述问题，研究人员采用了文献计量学作为核心分析方法。他们以Web of Science核心合集为数据库，设定了2015年1月至2026年6月的时间范围，使用特定的检索式（如“Hydrogen production” AND “Electrolysis” OR “Seawater electrolysis”）收集了511篇经过同行评议的科学文献（包括研究论文、综述和会议论文）。利用VOSviewer等软件工具，他们对这些文献的元数据进行了清洗、去重和标准化处理，进而对发文量、引文、国家/地区、机构、作者、期刊、关键词等进行了定量和可视化分析。这种方法使得他们能够超越对单篇文献的解读，从宏观上把握整个领域的发展态势、合作网络和研究热点。同时，研究还结合了对代表性文献的深度技术评述，以剖析具体的技术挑战（如腐蚀、氯竞争）和解决方案（如新型电催化剂、选择性膜）。

结果揭示了一个快速崛起且高度集中的研究领域。

从时间演变来看，海水电解制氢的研究在2020年后进入爆发式增长期，2024年达到顶峰。这既得益于耐腐蚀电催化材料的进展，也与全球脱碳目标和政策推动密切相关。2025年的略微下降可能与数据收集截止时间有关，最新文章的引用尚未充分累积。

在国家与机构贡献方面，中国以压倒性优势领先全球，贡献了368篇出版物和14273次引用，远超第二名的美国（38篇，4695次引用）。中国科学院、青岛科技大学、四川大学等中国机构占据了最高产研究机构榜单的前列。国际合作网络图也显示，中国是该领域的核心枢纽，与美国、澳大利亚、韩国、印度等国形成了密集的合作连线。在科研资助方面，中国国家自然科学基金等机构是主要的推动力量。这些数据清晰表明，中国不仅在科研产出数量上领先，其研究成果的影响力（引用）和国际合作活跃度也极高。

在核心知识载体方面，发文最多的作者是Sun, Xuping（孙旭平），其近期工作包括开发用于碱性海水电解的铬掺杂羟基碳酸钴纳米线电催化剂。发表相关论文最多的期刊是《International Journal of Hydrogen Energy》、《Journal of Colloid and Interface Science》和《Chemical Engineering Journal》。被引次数最高的论文是2019年发表于《Nature Communications》的“非贵金属氮化物基电催化剂用于高性能碱性海水电解”，该文报道了能满足工业级电流密度的电催化剂，获得了1047次引用，标志着该领域的一个重要突破。

关键词分析揭示了研究的热点与脉络。

通过词频和共现网络分析，研究者们最关注的核心包括：“海水电解”本身、“电催化剂”、“高效”、“氧析出反应”、“氢析出反应”。这凸显了开发高性能、高选择性催化材料是当前研究的绝对核心。其他高频词如“纳米片”、“设计”、“氧化”等，则指向了通过纳米结构工程和材料设计来提升性能的技术路径。关键词的时序演变显示，研究早期（2015-2022）更侧重于材料的“制备”与“表征”；近期（2023-2025）则更多地与“双功能电催化剂”、“镍”、“总能量计算”等关联，表明研究正向开发多功能材料、理论计算辅助设计等更深层次发展。

研究直面海水电解的技术挑战与解决方案。

海水电解的基本原理与淡水电解相同，均在阴极发生氢析出反应（HER），在阳极发生氧析出反应（OER）。但在海水中，氯离子在阳极的竞争氧化是一个致命问题。理论计算表明，在pH > 7.5时，OER在热力学上比氯析出反应（Chlorine Evolution Reaction, CER）更有利，但实际过电位和动力学因素使得抑制CER极具挑战。主要技术障碍包括：1) 电极腐蚀：氯离子等会侵蚀电极材料；2) 结垢：钙、镁离子形成沉淀物覆盖电极表面；3) 副反应与低选择性：生成氯气、次氯酸盐等，降低制氢法拉第效率（Faradaic Efficiency）和产物纯度；4) 催化剂成本与稳定性。

为了克服这些障碍，研究重点集中在先进催化材料与选择性膜的开发上。在阳极材料方面，研究聚焦于能优先促进OER、抑制CER的材料。过渡金属氧化物（如镍铁氧化物）、层状双氢氧化物（如NiFe-LDH）和尖晶石（如NiFe₂O₄）因其高活性、良好稳定性和成本优势而被广泛研究。例如，Pt纳米团簇负载在FeCoNi-磷化物纳米阵列上的催化剂，在碱性海水中表现出极低的HER过电位和超过2400小时的超长稳定性。在阴极，镍钼合金、二硫化钼和金属磷化物等是常用的HER催化剂。单原子催化剂（如不对称CoN₃S₁位点）也显示出优异的活性和抗Cl^-腐蚀能力。此外，阴离子交换膜在碱性条件下工作良好，相比质子交换膜成本更低，且对氯化物降解具有更好的耐受性，是海水电解中极具前景的隔膜选择。

研究还比较了不同制氢路径。

与纯水电解相比，海水电解的原料成本极低，但材料（耐腐蚀催化剂、膜）和系统维护成本更高。与生物质制氢或工业副产氢回收相比，海水电解在原料可持续性和规模潜力上优势明显，但技术成熟度较低。氢气的纯度方面，海水电解需警惕氯化物等污染，而纯水电解的产物纯度通常更高。

综上所述，这项系统的文献计量与技术综述研究清晰地描绘了海水电解制氢领域的蓬勃发展图景。中国在该领域的科研主导地位突出，全球关注度在近年来急剧上升。技术的核心突破依赖于耐腐蚀、高选择性电催化剂和高性能离子交换膜的开发。尽管仍面临腐蚀、结垢和氯竞争等严峻挑战，但通过材料创新（如LDHs、尖晶石、单原子催化剂）、膜技术优化（如AEMs）以及系统设计（如采用替代阳极氧化反应的混合系统），海水电解正展现出作为大规模可持续绿氢生产可行路径的巨大潜力。这项研究不仅为学术界梳理了知识脉络和研究热点，也为产业界和决策者指明了技术发展的关键方向。将丰富的海水资源与可再生能源（如风电、光伏）电力相结合，海水电解有望直接贡献于联合国的清洁水与卫生（SDG 6）、经济适用的清洁能源（SDG 7）和气候行动（SDG 13）等可持续发展目标，为构建低碳能源未来提供一条充满希望的赛道。