北京化工大学在海水电解制氢技术领域取得突破
近日，北京化工大学孙晓明教授团队在海水电解制氢技术方面取得重要进展，其研发的抗可再生电力波动催化剂成功解决了海水电解制氢产业化进程中的关键瓶颈问题，相关研究成果已于 3 月 6 日发表在国际权威期刊《自然》上。
由可再生能源电力驱动的海水电解制氢，作为生产绿氢的重要途径，前景广阔。然而，可再生能源固有的间歇性与波动性，致使制氢装置难以持续稳定运行。更为棘手的是，在装置停机期间，阴极极易出现过度氧化与腐蚀现象，严重阻碍了海水电解制氢技术的大规模应用。
孙晓明团队经深入研究发现，在停车工况下，海水电解装置的阴极存在反向电流，这会使金属态的阴极催化材料被电解液中的氢氧根离子氧化，同时遭受海水中卤素离子的腐蚀，大幅增加设备维护成本。过往相关研究主要聚焦于阳极，而忽略了阴极在特定工况下的隐患。
针对这一难题，团队精心设计出一种具备磷酸盐和金属氧化物耦合动态钝化结构的催化剂。该催化剂犹如为阴极披上一层坚固的 “铠甲”，可有效抵御停机工况下的氧渗透，阻止氢氧根离子对活性镍的过度氧化，成功攻克系统停机时的反向电流难题。经测试，该催化剂在实验室波动条件下稳定运行超 1 万小时，在工业级电流密度测试中，电压增长率低于 0.5%/ 千小时，性能卓越。目前，该催化剂已成功应用于兆瓦级海水电解制氢装置。
早在 2014 年，孙晓明团队便设计出超疏气纳米阵列电极，有效减少水电解过程中的气泡黏附，实现 “无气泡” 电解。在此基础上，团队选用超疏气金属纳米阵列作为基底，进行磷化处理并包覆三氧化二铬异质结结构。其中，磷化物凭借高氧配位数和宽变价范围，能在放电时形成致密钝化层抵抗氧渗透；三氧化二铬则在碱性环境和高电压下稳定存在，进一步强化了对阴极活性位点的保护。
从实验室迈向工业化生产的道路充满挑战。团队成员周道金介绍，所有实验均始于仅 1 平方厘米工作面积的电解槽，在此筛选出效果优良的材料后，再逐步扩大至更大电解槽，并不断优化实验参数，最终实现该工艺在兆瓦级装置上的应用。在产业化初期，面对阴阳极产气不均引发的液位差过大问题，团队研发新型气液分离器，显著提升气液分离效果，保障了电解系统安全。考虑到海风盐雾对设备的腐蚀，团队还对设备表面进行特殊防腐蚀处理。
近年来，孙晓明团队积极开展产学研合作。与中海油携手建成世界首台兆瓦级海水制氢装置；与深能源合作完成 500 千瓦电解海水制氢装置；与中广核合作打造我国首个电解海水制氢与海洋牧场融合项目，为海上可再生能源利用开辟新路径。2025 年 2 月，团队与氢致能源（江苏）有限公司在常州西太湖科技产业园投建的海水制氢电解槽设备生产基地一期正式投产，首条电解槽自动化生产线已完成安装调试，未来将逐步扩大产能，5 年内具备吉瓦级 / 年的生产能力。
展望未来，孙晓明表示，当前直接海水电解制氢技术尚缺乏规模化海上验证实验。团队计划开展每小时千标方的直接电解海水验证实验，持续完善技术，推动可再生电力驱动的海水电解制氢技术实现工业化大规模应用，为全球清洁能源发展贡献力量。
