科学家开发海水电解制氢系统，有望将绿氢成本降至每公斤1美元

只需要海水和阳光，就能获得绿氢和高纯水——从两种丰富、低价的资源转化为高价值资源，这是如何做到的？

近期，美国康奈尔大学助理教授张乐楠团队与麻省理工学院、理海大学、约翰霍普金斯大学、密歇根州立大学团队合作，开发出一种高效、低成本的太阳能驱动的海水制氢技术。

这项创新技术通过巧妙设计的光热蒸馏-电解水耦合装置，实现了太阳能的全光谱高效利用——不仅充分利用了太阳能的光电效应，还协同利用了其光热效应。

实验数据显示，在标准日照（1kW/m²）条件下，太阳能到氢能的转化效率达 12.6%, 氢气生产率为 35.9L/m²/h。与此同时，还利用光伏板废热产生每平方米每小时 1.2L 的清洁水。

技术经济分析表明，该系统的成本优势显著：运行 3 年后绿氢生产成本可降至每公斤 5 美元，运行 15 年后成本可进一步降至每公斤 1 美元。该技术展示出商业化潜力，为未来可持续的绿氢规模化生产提供了一种经济可行的技术路径。

日前，相关论文以《从海水中生产太阳能绿色氢气的效率超过 12%》（Over 12% efficiency solar-powered green hydrogen production from seawater）为题发表在Energy & Environmental Science[1]。理海大学助理教授王炫杰是第一作者，康奈尔大学助理教授张乐楠、密歇根州立大学助理教授刘心悦和约翰霍普金斯大学助理教授刘亚媛担任共同通讯作者。

氢能作为极具发展前景的可再生能源，因其在脱碳转型、低碳储能和清洁供能方面的独特优势而备受瞩目。其中，通过可再生能源电解水制取的绿氢，因其全生命周期近乎零碳排放的特性，被普遍认为是未来能源体系的核心组成部分。

然而，传统绿氢制备面临巨大的水资源消耗的关键瓶颈。从理论计算来看，在电解制氢过程中，每得到 1 公斤氢气，对应至少 9 公斤水消耗量，而实际工业生产中这一数字往往达到 20-30 公斤。

更严峻的是，电解过程需要使用经过严格纯化的超纯水（杂质和离子浓度低至微克每升量级），这种额外的纯化处理不仅大幅增加生产成本，还在全球水资源日益紧张的背景下加剧了资源分配的不平衡问题，与可持续发展的理念形成矛盾。

针对这一系列挑战，研究团队创新性地提出了太阳能全光谱综合利用方案。传统光伏技术受半导体材料能带隙限制，仅能利用太阳光谱中特定波段的光子能量（理论最大转换效率约 30%，实际通常低于 20%），其余能量则以废热形式耗散。这些废热不仅造成能量损失，还会导致光伏组件温度升高，进而引发效率进一步下降的恶性循环。

研究团队通过引入太阳能界面蒸发技术，将这一“废热难题”转化为“资源机遇”。他们在光伏组件表面构建了特殊的水膜蒸发层，利用废热驱动海水蒸发，随后通过冷凝系统获得高纯水。

这一创新设计实现了三重效益：首先，通过蒸发制冷效应将光伏组件工作温度降低 15℃ 以上，显著提升光电转换效率；其次，将原本浪费的热能转化为可用于海水淡化的有效能源；最后，产出的高纯水可直接供给电解槽使用。

为同时达到制氢和产水“双向最优”，该团队采取了一系列措施，包括系统设计、器件优化、引入创新型器件等。

具体而言：

在制氢环节，他们开发了独特的热管理模块，将光伏组件产生的废热通过蒸汽冷凝过程转化为潜热，并定向传递给电解槽。

这一设计巧妙地利用了光伏组件（效率随温度升高而下降）与电解槽（效率随温度升高而提升）对温度响应的相反特性，构建了能量梯级利用的闭环系统。实验数据显示，该系统的废热-蒸汽转化效率接近 90%，实现了废热的极致利用。

在海水淡化方面，团队此前研发的光热界面蒸发技术通过局域化热管理，将热能集中作用于蒸发表面，大幅提升了蒸发效率。通过这种宏观系统耦合与微观器件优化的协同创新，最终实现了太阳能驱动下高效、低成本的海水制氢与淡水联产。

据相关预测，全球目前正面临大约 5 亿吨绿色氢气的巨大缺口。这背后对应需消耗数十亿吨超纯水，这在全球水资源短缺背景下几乎难以实现。

然而该研究的理论计算表明，这项创新技术仅需占用 0.06% 的土地面积，即可直接利用海水和太阳能资源来填补这一缺口。

张乐楠对DeepTech 解释说道：“它这项技术的部署模式类似于太阳能光热电站，如果能像建设光伏电站那样规模化部署这种制氢工厂，就能以较小的土地占用实现碳中和目标所需的氢气产量，这主要得益于太阳能资源分布广泛且均匀的特性。”

该技术的突破性意义还体现在水资源利用方面。传统电解水制氢不仅需要消耗大量电能，更受限于高纯度水的供应。而这项新技术彻底改变了这一局面，使制氢过程可以直接利用废水、河水、地下水甚至海水等多种水源，这对未来实现大规模工业化生产具有革命性意义。

张乐楠进一步指出，当前绿氢市场竞争力不足的核心原因，除了高能耗外，更在于其对高成本纯化水的依赖。这项技术通过直接利用各种非纯化水源，不仅大幅降低了生产成本，更重要的是解决了规模化生产的资源瓶颈问题。

在技术研发路径上，该团队采取了循序渐进的策略。实验室阶段主要聚焦于性能优化，致力于提高单位太阳能输入的氢气和淡水产量。值得一提的是，团队此前研发的海水淡化技术创造了太阳能淡化高浓度海水的世界纪录，并获得《时代》杂志“年度最佳发明”。

基于这些技术积累，研究人员创新性地将高效海水淡化与太阳能光伏技术有机结合，实现了系统性能的显著提升。随着技术不断成熟，团队正着手将实验室原型扩展为更大规模的模块化系统，并计划开展示范项目。

从能源系统整合的角度来看，这项技术还具有更深远的应用前景。当前光伏发电面临的主要挑战是供需不平衡和储能成本高。而该技术通过电解水制氢，将光伏电能转化为氢气的化学能储存，再通过燃料电池实现电能回馈，构建了完整的“光伏-氢能”循环系统。

这种模式特别适合分布式能源应用，既避免了大规模电网调度的复杂性，又解决了可再生能源间歇性供电的难题。研究团队表示，待技术完成规模化验证后，将重点展示其在分布式能源系统中的实际应用效果，进而为推动能源转型提供新的技术路径。

参考资料：

1.Xuanjie Wang et al. Over 12% efficiency solar-powered green hydrogen production from seawater.Energy & Environment Science(2025). DOI: 10.1039/D4EE06203E

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