综述：直接海水电解与混合海水电解：材料、电池设计及技术经济现状

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Direct and hybrid seawater electrolysis: Materials, cell designs, and techno-economic realities

　　

摘要

在海水资源匮乏的沿海地区，海水电解作为一种生产氢气的可行方法，其重要性日益凸显。直接海水电解技术被视为可持续生产氢气的有希望的技术，但同时也面临诸多挑战，如氯气生成、结垢、生物污染和腐蚀等问题，这些都会影响反应的选择性及系统的长期稳定性。本综述系统总结了与直接海水电解及混合海水电解相关的材料进展、界面工程以及技术经济建模方面的成果。文中概述了NiFe-LDH衍生物、掺杂硫属化合物、钌基纳米结构、选择性膜材料以及相关操作策略（如抑制氯气生成、控制pH值和采用流动反应方式）的最新研究进展。尽管直接海水电解前景广阔，但本文提出了一个综合性的解决方案，涵盖催化剂设计、膜材料优化、流体动力学考量以及成本分析，以有效抑制氯气生成并提升系统耐用性。此外，文章还对比了天然海水与人工海水环境下的性能表现，为评估当前最先进的电流密度（≥2?A?cm^?2）和系统使用寿命（>10,000?小时）提供了参考依据。最后，文中指出了实现商业化应用所需满足的技术经济标准及政策要求，包括膜的使用寿命、电力成本以及系统效率等。综上，本综述提出了整合材料科学、工程技术和可持续性理念的研究方向，以推动可规模化绿色氢气的生产。

引言

全球向可持续、低碳能源体系的转型使得氢气成为重要的清洁能源载体。由于氢气具有较高的比能量且无碳排放，因此在交通、化工生产及发电等难以实现脱碳的行业中发挥着关键作用。在各种氢气生产方法中，水电解是最为直接且环保的方式，可通过可再生能源电力来制取绿色氢气（参见表3、表4、表5、表6、表7、表8）。

传统电解槽需要高纯度的淡水作为原料。鉴于未来可能出现的水资源短缺问题，大规模使用淡水进行氢气生产会带来严重的可持续性和成本问题（Aziz等人，2025年）[1]。相比之下，海水——占地球总水量的97%以上——则是一种近乎无穷且成本低廉的原料，尤其是当与沿海或海上可再生能源结合使用时（Wang等人，2025年）[2]，更具优势。

除了直接海水电解之外，人们也越来越关注混合海水电解作为一种可持续制氢的替代方法。混合海水电解利用尿素、醇类、肼、硫化物、亚硫酸盐等可作为反应原料的化合物，而非依赖阳极上能量消耗较高的氧还原反应来制氢。这种方式能够降低电池电压需求，减少副反应的发生，提高能源利用效率，还有可能产出具有经济价值的阳极产物。虽然混合海水电解在原料供应与分离方面存在一定挑战，但它有望显著降低海水电解的整体能耗，提升其作为氢气生产方法的可行性。本文将详细介绍直接海水电解与混合海水电解的原理，并探讨目前相关材料、电解槽设计、运行问题以及技术经济潜力等方面的研究进展（Chen等人，2025年；Yu & Liu，2024年；He等人，2024年）[[3]、[4]、[5]]。

尽管海水资源丰富，直接海水电解仍面临诸多技术难题。高浓度的氯离子会导致副反应增加，降低氧还原反应的选择性，同时还会引发腐蚀、加速膜材料老化，甚至产生氯气排放等环境问题（Dai等人，2025年）[6]。此外，天然海水中还含有Mg²⁺、Ca²⁺等多价金属离子、有机物以及微生物，这些物质容易引起系统结垢和生物污染，进而降低催化活性并缩短系统使用寿命[3]。

近年来，越来越多的研究致力于梳理这一复杂的问题体系，涵盖了从催化材料到膜材料设计以及系统集成的各类研究成果（Hu等人，2024年）[7]。例如，镍基高熵合金如Ni_x(FeCoCrCu)_100-x和Ni₃₀₅在含盐环境中乃至零下温度下仍能保持出色的电催化活性和稳定性（Pan等人，2025年）[8]。Din等人（2024年）以及Tony等人（2020年）[9、10]的研究表明，纳米结构的过渡金属磷化物、双功能异质结构材料以及钌基纳米簇能够在较低过电位下实现高电流密度输出，并具备抗氯离子侵蚀的能力。最近的一些研究进一步整理和规范了相关材料体系，包括NiFe-LDHs、尖晶石、钙钛矿、MXenes和氮化物等材料，并给出了针对海水环境的特定评估指标，如η₁₀值、氯气选择性以及长期稳定性指标，从而帮助明确实际应用中需要平衡的活性、稳定性和选择性之间的关系（Fei等人，2024年）[11]。

机器学习技术的应用极大地加速了催化剂的发现与优化过程，有助于预测过电位、系统耐用性以及氢气生成活性等关键性能参数[1、6]。与此同时，Bahuguna等人（2024年）[12]提出了一种统一框架，可在考虑催化剂、膜材料及电池结构的选择性指标的同时，最大限度地减少氯气生成现象，为构建可重复的测试方法奠定了基础。Wang等人（2025年）[13]将现有研究成果归纳为四大类策略：催化剂设计、界面改性、膜材料优化以及混合系统开发。然而，目前相关研究在不同尺度上仍存在碎片化现象，大多数研究只是单独探讨材料、器件或技术经济参数，未能将这些不同层面有机结合起来形成完整的性能评估体系。从根本上来说，目前尚未建立起将微观电化学过程与宏观系统的耐久性、可扩展性及经济可行性相互关联的全面理解。

为推动各类海水电解系统在不同规模上的发展，本综述从材料科学、界面工程、系统架构以及技术经济建模等多个角度出发，构建了一个用于解决氯气生成问题并提升系统耐用性的新框架。为实现这些目标，本文回顾了海水电解技术的发展历程，分析了直接海水电解与混合海水电解之间的差异，同时介绍了智能建模、生命周期分析以及其他技术经济分析方法在相关领域的应用趋势。总体而言，本综述强调应从系统整体视角出发，选择和设计出低成本、耐腐蚀且具备良好可扩展性的电化学系统，以服务于可持续氢能产业的发展。

这些重要进展也在图1a中进行了总结（详见图2）。

海水电解技术可根据不同的应用目的分为三类：(a)直接海水电解；(b)混合海水电解；(c)用于海水淡化或间接海水电解的技术。如图1b所示，这三种技术虽然都以海水作为能源来源，但在对进水的要求、阳极反应路径、系统结构与配置、能耗水平以及技术成熟度等方面存在显著差异。表1a总结了直接海水电解、混合海水电解以及海水淡化辅助电解技术的特点，为后续讨论提供参考（参见表2）。

目前已有不少综述文章介绍了海水电解技术的相关内容，涵盖催化剂开发、直接海水电解、膜材料设计以及系统集成等方面。尽管这些综述为特定研究领域提供了有用信息，但它们较少涉及混合海水电解技术、工业应用性能的评估标准以及商业化进程中的障碍。与之相比，本文则从更广泛的视角审视了三种类型的海水电解技术，详细介绍了催化剂设计、膜材料技术、腐蚀机制以及电解槽结构等方面的最新研究成果，并从技术经济分析、工业应用目标以及商业化障碍等角度对这些技术进行了评估。通过将材料层面的创新与系统层面的技术经济分析相结合，本文为将实验室研究成果转化为大规模海水电解制氢技术提供了更为清晰的思路。

章节节选

海水电解的基本原理

海水电解是指通过电化学方法将水（H₂O）分解为氢气（H₂）和氧气（O₂）的过程，其运作原理与淡水电解类似。不过，溶液中的盐类物质，如氯化钠（NaCl）、镁离子（Mg²⁺）、钙离子（Ca²⁺）以及硫酸根离子（SO₄^2?），会改变海水电解过程中的电化学动力学特性，尤其会影响氢 evolution反应和氧还原反应的进程（Maqsood等人，2025年）[18]。这些离子不仅会改变

海水电解槽的配置与电池设计

要实现高效且耐用的海水电解系统，合理的电解槽配置至关重要。在海水电解中选择酸性、碱性或中性电解质介质时，需要考虑到不同电解质类型会对系统性能产生的影响，这种影响会随电流密度及电极的局部工作状态而变化。酸性、碱性或中性介质都会影响电解过程中的电化学路径以及系统的稳定性

环境与技术经济视角

随着全球对低碳氢能的关注度不断上升，海水电解已成为一种可行的替代方案，可取代依赖淡水资源的氢气生产方式。然而，从实验室示范阶段向工业化规模应用过渡的过程中，会面临诸多财务、基础设施以及生态方面的挑战。基于现有研究资料，本章将探讨氢气的平准化成本、工程实施难题、生命周期问题以及

结论

海水电解技术已从最初的实验室研究项目，发展成为在水资源匮乏的沿海地区实现可持续氢气生产的有效途径。在催化剂配方、界面结构以及膜材料设计方面的不断进步，显著提升了直接海水电解和混合海水电解系统的选择性与耐用性。目前已有部分材料表现出低于300?mV的过电位、超过10,000小时的耐用性以及较高的法拉第效率

作者贡献说明

Nadab Raza：概念构思、初稿撰写、论文修订与润色。Sami M. Alharbi：图表制作、论文修订与润色。

利益冲突声明

作者声明以下可能构成利益冲突的财务利益或个人关系：Nadab Raza表示获得了工程技术与大学的财政支持。其他作者则声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

Nadab Raza|Sami M. Alharbi

巴基斯坦拉合尔工程技术与大学化学系，邮编54890