氢能作为低碳时代的最佳能源选择，在当下能源转型中扮演着重要角色。然而，传统的制氢方法大多依赖于化石燃料，造成了大量的温室气体排放。
如何利用可再生能源和海水这两种丰富而清洁的资源来制取绿色氢气，是一个具有重大意义和挑战的课题。
近年来，国内外多个科研机构和企业在海水制氢技术方面取得了一些突破性的进展，为实现海水制氢的工业化和商业化提供了新的思路和可能。
海水制氢技术路线及典型项目
海水制氢技术主要分为两种路线：海水直接制氢和海水间接制氢。海水直接制氢是指将海水直接送入电解槽或光解装置，将水分解为氢气和氧气。海水间接制氢则是指将海水先淡化成高纯度淡水，再进行电解、光解、热解等水解制氢过程。
1.海水直接制氢
海水直接制氢的优势在于节省了淡化过程的能耗和成本，同时也避免了淡化过程对海洋生态环境的影响。
然而，由于海水中含有大量的盐分、杂质和有机物，这些物质会对电解槽或光解装置的催化剂、电极和膜材料造成腐蚀、沉积和失活等问题，导致电解效率降低、设备寿命缩短和安全隐患增加。
因此，海水直接制氢技术需要开发更耐腐蚀、更稳定、更高效的材料和系统，以提高其工业化可行性。
目前，全球主要从事海水直接制氢研究的机构有中国科学院、法国国家科学研究中心、日本东北工业大学、北京化工大学、印度科学工业研究理事会、美国休斯敦大学等。
其中，中科院宁波材料技术与工程研究所在2020年发表了一项关于利用太阳能驱动的光催化剂直接将海水分解为氢气和氧气的研究。
该光催化剂由二维钙钛矿纳米片和碳量子点组成，具有高效吸收可见光和抑制电子-空穴复合的特点。实验结果表明，该光催化剂在模拟太阳光下对海水进行光解时，产生的析氧量是对淡水进行光解时的3.5倍，而析氢量则相当。
这说明该光催化剂能够有效地利用海水中的氯离子促进析氧反应，从而提高了海水光解的效率。
2.海水间接制氢
海水间接制氢的优势在于可以利用现有的淡水制氢技术和设备，无需考虑海水中的盐分、杂质和有机物对制氢过程的影响。
然而，海水淡化本身就是一个耗能和耗水的过程，会增加制氢的成本和碳足迹，同时也会产生大量的浓盐水，对海洋生态环境造成威胁。
因此，海水间接制氢技术需要优化淡化过程的能源利用效率和环境友好性，以降低其对制氢过程的负担。
目前，海水间接制氢技术已经实现了商业化应用，主要是通过结合可再生能源（如风能、太阳能或海洋能）来驱动淡化和电解过程，从而实现绿色氢气的生产。
国内外已有多个可再生能源海上制氢项目启动或建成，如德国Tractebel Overdick提出的海上风电制氢平台、英国Logan Energy的Seafuel项目、荷兰海王星能源公司的PosHYdon项目、丰田汽车公司为Energy Observer提供燃料电池系统的船舶、西门子歌美飒在丹麦启动的Brande Hydrogen项目等。
这些项目都采用了先将海水淡化成高纯度淡水，再利用风电或太阳能发电将淡水电解为氢气和氧气的方式。
其中，PosHYdon项目已于2021年7月开始生产氢气，采用了1.25 MW的PEM电解槽，每天最多可产生500公斤的绿色氢气。
荷兰海王星能源公司PosHYdon项目
海水制氢技术的优势与挑战
海水制氢技术作为一种利用可再生能源和海水这两种丰富而清洁的资源来制取绿色氢气的方法，具有以下几个方面的优势：
- 海水是地球上最大的“氢矿”，其储量远远超过淡水资源，可满足长期而大规模的制氢需求；
- 海上分布式制氢平台可作为能源的长期储存或精细化学品的生产场所，如氨和甲醇以及其他碳氢化合物，在解决深远海可再生电力消纳的同时，将绿色能源与化工生产系统紧密结合；
- 随着风力、光伏发电向深远海发展，单个电场的装机容量越来越大，远距离海上电缆的电容问题严重限制输电容量和距离。因此，深远海可再生电力就地制氢、制绿氨等或是未来深远海可再生能源的主要应用方式。
然而，海水制氢技术也面临着以下几个方面的挑战：
1.海水中杂质将导致催化剂失活：
除了溶解多种无机盐离子外，还含有许多有机物以及杂质，如塑料、微生物和溶解气体等。
这些物质会对电解槽或光解装置的催化剂、电极和膜材料造成腐蚀、沉积和失活等问题，导致电解效率降低、设备寿命缩短和安全隐患增加。因此，海水直接制氢技术需要开发更耐腐蚀、更稳定、更高效的材料和系统，以提高其工业化可行性。
2.海水电解产物将腐蚀设备：
海水中的氯离子浓度约为0.5 mol/L，其在电解过程中可在阳极被氧化为氯气以及次氯酸根，腐蚀电极金属基底以及导致催化剂失活，而产物氯气的运输不具备生物安全性与经济性。
因此，海水直接制氢技术需要设计合理的阳极材料和反应器结构，以有效地分离和处理氯气等有害物质。
3.海水电解效率低：
海水中的氢离子以及氢氧根离子浓度很低，在电解过程中其传质速率缓慢，使得电解效率较低。且由此产生的局部pH值差异不利于析氢、析氧半反应的热力学变化，并可能导致碱金属氢氧化物等的沉淀。
因此，海水直接制氢技术需要优化电解槽或光解装置的设计和操作参数，以提高传质效率和反应速率。
风险投资市场的思考
海水制氢技术是一种具有巨大潜力和前景的绿色能源技术。虽然目前还处于试验阶段，尚未实现工业化和商业化，它可以有效地利用可再生能源和海水这两种丰富而清洁的资源来制取绿色氢气，为实现碳中和目标提供了新的途径和可能。