世界科技研究与发展 World Sci-Tech R & D ISSN 1006-6055,CN 51-1468/N 《世界科技研究与发展》网络首发论文 题目： 海水制氢技术发展现状与展望 作者： 万晶晶，张军，王友转，张丽佳，董星 DOI： 10.16507/j.issn.1006-6055.2021.09.001 网络首发日期： 2021-09-22 引用格式： 万晶晶，张军，王友转，张丽佳，董星．海水制氢技术发展现状与展望[J/OL]．世 界科技研究与发展. https://doi.org/10.16507/j.issn.1006-6055.2021.09.001 网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶 段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期 刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出 版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合《出 版管理条例》和《期刊出版管理规定》的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编 辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、 出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。 为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容， 只可基于编辑规范进行少量文字的修改。 出版确认：纸质期刊编辑部通过与《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司签约，在《中国 学术期刊（网络版）》出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷 出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为《中国学术期刊（网络版）》是国家新闻出 版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN 2096-4188，CN 11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首 发论文视为正式出版。 网络首发时间：2021-09-22 08:49:33 网络首发地址：https://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1468.n.20210917.1314.001.html 海水制氢技术发展现状与展望 * 万晶晶 张军** 王友转 张丽佳 董星 (广东省科学院信息研究所，广州 510070) 摘 要：目前工业化制氢原料基本来自于化石能源，碳达峰背景下，未来氢能利用需要寻求更为绿色便捷的来源和 制取方式。以丰富的海水资源制备氢气，理论上极富前景。本文结合近年来国内外海水制氢的研发现状，分别总结 了海水直接电解制氢和光解制氢的总体进展，并介绍了国内外海水淡化制氢的产业化开发情况，最后展望了海水制 氢的未来发展前景。研究发现，海水直接制氢技术尚停留在技术研发与验证阶段，依然面临着很大挑战；海水间接 制氢理则仍需通过示范解决复杂生产流程中存在的问题。其未来发展取决于氢能发展对氢产量的需求、电力来源的 成本和可行性以及技术可行性三个因素。未来氢能源如能实现广泛应用并带来氢需求规模的高度膨胀，且可再生能 源并网供电及电力成本降低，海水制氢有可能迎来发展机遇。 关键词：海水；制氢；电解；光解 DOI：10.16507/j.issn.1006-6055.2021.09.001 Development Status and Prospect of Hydrogen Generation from Seawater* WAN Jingjing ZHANG Jun** WANG Youzhuan ZHANG Lijia DONG Xing (Institute of Information, Guangdong Academy of Sciences, Guangzhou 510070, China) Abstract: The current industrial production of hydrogen basically comes from fossil energy. Under the background of carbon emissions peak, the utilization of hydrogen energy has to be more green and more convenient .The production of hydrogen from abundant seawater resources seems like a promising way. This paper reviews the research and development status of hydrogen production from seawater in China and abroad in recent years, and summarizes the overall research progress of hydrogen production by direct electrolysis and photolysis of seawater respectively. Then it introduces the industry development status of hydrogen production from desalinated seawater. Finally, the future development of hydrogen production from seawater is prospected. There exist great challenges since direct hydrogen production of seawater is still in R&D and testing. The hydrogen production from desalinated seawater need to resolve problems in complex process through industrial demonstration. The future of hydrogen production from seawater is based on hydrogen demand, electricity cost and technical feasibility. Under certain circumstance, maybe there are opportunities for hydrogen production from seawater. Keywords: Seawater; Hydrogen Production; Electrolysis; Photolysis 全球能源格局正在经历由依赖传统化石能源向追求清洁高效能源的深刻转变，各国都在大力发展 清洁能源，减少传统化石能源的使用，积极寻找替代能源。氢作为一种理想的二次能源载体，其燃烧 最终产物只有水，表观上是一种绝对清洁的燃料，可用于储能、发电、各种交通工具用燃料、家用燃 料等[1, 2]。 在氢能利用方面，制氢是第一个关键的技术环节。目前全世界每年约产氢 0.7 亿 t，主要作为工 业原料用于化学工业、合成氨和石油加工工业。其来源主要是化石燃料制氢（煤炭、天然气）、工业 副产氢（乙烷、丙烷脱氢、重整、氯碱、焦炉煤气等）、甲醇重整制氢和电解水制氢，这些都是较为 成熟的技术[3]。此外还包括生物及生物质制氢、太阳能光解水制氢、热化学分解水制氢等试验性方法。 国际可再生能源机构（International Renewable Energy Agency，IRENA）数据显示[4]，目前超过 95%的 氢气从化石燃料中制取，制氢过程中会排放大量二氧化碳，因此对现有制氢工艺进行改进或者开发全 新的绿氢工艺以减少碳排放是氢气规模化应用的关键所在。 水资源是地球上最大的“氢矿”，是制取氢气的理想来源。根据美国能源部和日本经济产业省的 预测，未来水制氢成本可能与化石燃料成本持平[5]。过去，无论是已商业化的电解水制氢技术，还是 大部分水制氢试验性研究，都是以淡水为原料。考虑到淡水的稀缺，若全球需氢量剧增，以丰富的海 水资源制备氢气将是一种有前景的技术。 * 广东省科学院建设国内一流研究机构行动专项（2019GDASYL-0105081），广东省省级科技计划（2019B101001013）。 ** E-mail: zhangjun@mail.whlib.ac.cn; Tel:020-37656255 目前，国内外海水制氢研究并不多见，在 Web of Science 和 Incopat 数据库中检索发现，主要论 文与专利文献约 1000 余篇，大多数是有关海水直接光/电解制氢的催化机理、催化剂的设计与开发、 制氢装置与成本效率等方面的研究成果。本文结合全球海水制氢产业的开发进展情况，进一步梳理总 结了当前海水制氢的研发与商业化进展，旨在为我国氢能领域的研发布局和产业发展提供参考依据。 1 海水制氢的技术路线 海水占地球全部水量的 96.5%，与淡水不同，其成分非常复杂，涉及的化学物质及元素有 92 种。 海水的盐度大约为 35psu（35‰），其中钠（Na+）、镁（Mg2+）、钙（Ca2+）、钾（K+）、氯（Cl-）、 硫酸（SO42-）离子占海水总含盐量的 99%以上[6]。海水中所含有的大量离子、微生物和颗粒等，会导 致制取氢气时产生副反应竞争、催化剂失活、隔膜堵塞等问题，为此，以海水为原料制氢形成了海水 直接制氢和间接制氢两种不同的技术路线。 海水直接制氢的路线主要通过电解水制氢或光解水制氢方式制取，全球主要研究机构有中国科学 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；海水间接制氢则是将海水先淡化形成高纯度淡水再制氢，即海水淡化技术与电解、光解、 热解等水解制氢技术的结合。 2 海水直接制氢的研究现状 2.1 海水电解制氢 海水电解反应包括阴极析氢反应（Hydrogen Evolution Reaction，HER）和阳极析氧反应（Oxygen Evolution Reaction，OER）两个半反应（图 1）[7]。理论上同时驱动 OER 和 HER 的最小电压为 1.23V， 但是，在实际电解过程中需要额外的电位去激活和克服原始反应能垒，即过电位（η）。因此，尽可 能地降低水电解的过电位、降低