位于海南省海口市的海南大学协同创新中心实验室内,一台约半人高的银灰色设备正在平稳运行。没有复杂的预处理系统,一根管子直接连着天然海水。随着电流接通,透过视窗可以清晰地看到:一边咕嘟咕嘟冒气泡——氢气不断生成;另一边,白色的絮状物缓缓沉淀——这是高纯度氢氧化镁持续析出。

这台天然海水制氢提镁工程样机,已经在天然海水环境中连续稳定运行超过5000个小时。

“过去,氢气是主角,杂质是废料;如今,原来被视为‘废料’的沉淀物变成了具有高附加值的矿产资源。”海南大学海洋清洁能源创新团队负责人田新龙教授说。

该团队联合中国科学院宁波材料技术与工程研究所,在直接电解天然海水制氢技术上取得突破性进展,实现“一电两用、一水双收”。相关成果发表在国际期刊《自然·通讯》上。这一成果,为解决全球绿氢生产成本高昂、淡水资源消耗大的难题,提供了中国方案。

传统的电解水技术高度依赖高纯度淡水,若直接电解海水,其中复杂的离子成分,尤其是高浓度的镁、钙离子,会成为破坏设备的“元凶”。“就好比家里的烧水壶,时间久了壶底会结一层厚厚的水垢。”团队成员封苏阳介绍,“在电解海水的过程中,这种‘结垢’现象更明显。镁离子会在电极表面迅速形成沉淀,短短几小时就能让电极失活,导致整个系统瘫痪。”

为了应对“结垢”,业界主流方案是“先淡化,后制氢”,即先把海水变成纯净水再电解。这种方案工艺流程长、设备成本高,导致绿氢价格居高不下。

“为什么要把海水里的镁离子‘赶走’,而不是收集起来?”面对电极上厚厚的白色沉淀,田新龙看到了转机:海水中镁离子储量是陆地的数万倍,而氢氧化镁是阻燃剂、航天材料的重要原料,市场价值较高。何不因势利导,将制氢和“提矿”结合起来?

“提矿”的难点在于如何让镁离子析出,却又不附着在电极表面。历经4年攻关,团队研发出一种新型电极材料。“我们在铂电极表面添加了特定的碘离子,利用静电排斥力的原理,给电极穿上了一层‘防护服’。”封苏阳介绍,电解反应中生成的氢氧化镁无法在电极表面立足,只能远离电极,呈絮状自动脱落沉淀。

技术走通了,经济成本划算吗?在实验室的展示台上,一瓶瓶白色粉末引人注目,这是经过提纯后的氢氧化镁,纯度可达99%以上。“以前生产1公斤氢气往往需要几十元的成本。使用新技术后,每生产1公斤氢气,理论上可以联产约15公斤的高纯度氢氧化镁。”田新龙说,“通过‘一电两用’,提取镁产品的收益,基本可以覆盖制氢的成本。”此外,这项技术在常温天然海水中即可进行,大大降低了工程应用的门槛。

从1平方厘米的微小电极片,到如今900平方厘米的大尺寸电极;从实验室的瓶瓶罐罐,到正在攻关的更大功率工程样机……在海南大学协同创新中心实验室里,“一电两用、一水双收”逐渐从图纸走向现实。

“我们将利用海上风电提供绿电,‘就地取材’直接电解海水。”谈及未来,团队充满信心:制取的绿氢可以合成绿色甲醇为洋浦港的远洋船舶提供清洁动力;而联产的高纯度氢氧化镁,则有望在高端新材料产业链中发挥效用。