阳光与海水驱动低成本绿色氢气与洁净水的可持续制取

一个由康奈尔大学主导的研究团队构建了一个尺寸为10厘米×10厘米的原型装置，能够通过太阳能驱动的海水电解过程制备无碳“绿色”氢气，并同时产出一个重要的副产品：可饮用水。

由康奈尔大学主导的科研团队在可持续技术领域实现了“三重奏”的突破：该团队开发出一种低成本的碳中和“绿色”氢气制备方法，利用太阳能电解海水进行制氢，同时还能副产可饮用的淡水。

该团队提出的混合太阳能蒸馏-水电解（HSD-WE）装置于2025年4月9日发表在《能源与环境科学》期刊上。据报道，该装置可在自然阳光照射下，每小时直接从海水中产出200毫升氢气，能源转化效率达12.6%。研究人员预计，该技术有望在未来15年内将绿色氢气的制备成本降低至每千克1美元，为实现2050年净零排放目标迈出关键一步。

“水与能源在我们的日常生活中都至关重要，但通常情况下，如果想要获得更多能源，就必须消耗更多水资源，”康奈尔大学工程学院机械与航空航天工程系助理教授、本项目负责人Lenan Zhang指出，“另一方面，全球有三分之二的人口面临水资源短缺问题，因此绿色氢气制备的瓶颈之一就在于水资源的消耗，这也直接反映在其高昂的成本上。”

绿色氢气是通过电解“高纯度”（即去离子）水分子生成氢气和氧气而获得的。然而，这一过程需要大量洁净水，导致绿色氢气的生产成本约为传统氢气的十倍。

“正因如此，我们提出了这项技术，”Zhang表示，“我们思考：地球上最丰富的资源是什么？阳光和海水几乎是取之不尽、用之不竭的免费资源。”

在担任麻省理工学院（MIT）研究科学家期间，Zhang开始探索如何利用太阳能热脱盐技术将海水转化为饮用水，该研究曾被《时代》杂志评为“2023年最佳发明之一”。2024年Zhang加入康奈尔大学后，获得美国国家科学基金会（NSF）的支持，将该技术拓展至绿色氢气的生产。

在与MIT、约翰斯·霍普金斯大学和密歇根州立大学的研究人员合作下，Zhang团队设计出一款10厘米×10厘米的原型装置，巧妙利用光伏发电的“副作用”——即其较低的光电转换效率。多数光伏电池只能将约30%的太阳能转化为电能，其余则以废热形式散失。而该装置可有效利用这部分废热，加热海水直至其蒸发。

“基本上，短波长的太阳光用于光伏发电，而长波长部分则产生废热，驱动海水蒸馏过程，”Zhang解释道，“这样一来，太阳能就能得到全面利用，毫无浪费。”

为实现界面热蒸发的高效转化，装置中引入了关键组件——毛细芯结构，用于将海水吸附形成紧贴太阳能电池表面的薄膜。相比加热整块水体，仅加热该薄膜大大提高了蒸发效率，蒸发率可超过90%。当海水蒸发后，盐分被留在装置中，淡化后的水汽则冷凝成洁净水，并流入电解槽进行电解，最终分解生成氢气与氧气。

“这是一项高度集成的技术，其设计极具挑战性，因为它涉及多个耦合过程：脱盐与电解相耦合、电解与太阳能电池相耦合，以及太阳能电池与脱盐过程在太阳能、电能、化学能和热能之间的多重转换与传输。”Zhang表示，“如今，我们首次实现了足以满足氢气制备需求的水量供应，同时还能产出部分饮用水，可谓一举两得。”

目前绿色氢气的生产成本约为每千克10美元。但Zhang表示，考虑到阳光与海水的广泛可得性，其团队的装置在未来15年内有望将成本降低至1美元每千克。此外，他还设想将该技术集成于太阳能农场，不仅可为光伏板降温、提升发电效率，还能延长其使用寿命。

“我们既希望避免碳排放与污染，又关心成本问题——因为成本越低，规模化推广的潜力就越大，”他说，“我们相信该技术在未来具有巨大的部署潜力。”

该论文第一作者为Lehigh大学的Xuanjie Wang，合著者包括博士生Yipu Wang（2024年硕士毕业）、博士后Jintong Gao、约翰斯·霍普金斯大学的Yayuan Liu以及密歇根州立大学的Xinyue Liu。

本研究得到了美国国家科学基金会的资助。

翻译人：沈亚皓

来源：

https://fuelcellsworks.com/2025/04/10/h2/sunlight-and-seawater-lead-to-low-cost-green-hydrogen-clean-water