化学家破译水分解密码，解锁氢燃料生产隐藏能量屏障

1.1 氢能发展现状与挑战

在全球能源转型的大背景下，氢能作为一种清洁、高效、可持续的能源载体，正逐渐成为能源领域的焦点。它被誉为 “终极清洁能源”，燃烧产物仅为水，对环境零污染，且能量密度高，是传统化石燃料的理想替代品。近年来，全球氢能产业发展迅猛，2023 年全球氢气产量首次突破 1 亿吨，同比增长 7.0%，这一数据彰显了氢能在能源结构中的地位日益重要。

中国作为全球最大的制氢国，在氢能领域的发展更是成绩斐然。2023 年我国氢气实际产量超过 3570 万吨，占据全球产量的三分之一，主要产自西北、华东和华北地区。在制氢技术方面，我国已掌握了多种制氢方式，包括煤制氢、天然气制氢、工业副产氢和电解水制氢等。其中，煤制氢凭借我国丰富的煤炭资源和成熟的技术工艺，占据了总产能的 54.7%，达 2709 万吨；天然气制氢和工业副产氢产能分别为 1090 万吨和 1030 万吨。然而，不可忽视的是，目前我国化石燃料制氢占比超 90%，这意味着在制氢过程中会产生大量的碳排放，与 “双碳” 目标背道而驰。

为了实现能源的可持续发展，电解水制绿氢成为了未来的发展方向。电解水制氢是利用可再生能源（如太阳能、风能、水能等）产生的电力，将水电解为氢气和氧气，整个过程不产生碳排放，真正实现了绿色制氢。2023 年中国电解水设备出货量同比增长 53.4%，显示出行业的快速发展态势。但目前该技术仍面临效率瓶颈，导致制氢成本居高不下。据相关数据显示，当前电解水制氢的成本约为 34 元 / 千克，远高于化石燃料制氢的成本，这使得电解水制氢在市场竞争中处于劣势，限制了其大规模应用。

1.2 中国氢能产业链布局

为了推动氢能产业的发展，我国在氢能产业链的布局上可谓不遗余力。北京大兴氢能示范区便是一个典型的例子，这里已构建涵盖氢能制、储、运、加、用全产业链，落地氢能企业已达 228 家，形成了产业聚集效应。美锦氢能总部、国电投氢能等一批重点项目相继建成投产，新增推广燃料池汽车 626 辆，氢能重卡完成全国首距离测试，建立 7 条京津冀跨区域氢能运输示范线，打通了北京氢能运输 “出海” 通道。大兴区氢能示范区已被评选为国家级 “绿色低碳示范园区”，形成了 “5 + 12 + N” 氢能企业培育发展体系，核心技术覆盖氢能全产业链，共同推动氢能产业加速创新发展。

山西沁源则依托当地丰富的风光资源，积极打造绿氢基地。山西鹏飞集团与深圳赫美集团合作，投资 7 亿元建设 120MW 光伏发电和年产 2000 吨绿氢项目，包括 120MW 光伏电站、水电解氢装置、储氢和氢气充装设施等。常源加氢综合能源岛项目是山西鹏飞集团在沁源的首个氢能项目，计划建设 6 座综合能源岛，基本覆盖区域内国省干线，目前能源岛主体已完工。

预计 2025 年，区域内将投入 300 辆氢能重卡、30 辆氢能公交车，推动 “制储输用” 的氢能全链应用，助力实现能耗和碳排放 “双控”。沁源县还积极探索 “源网荷储” 一体发展，以 120 万千瓦的抽水蓄能电站项目为牵引，统筹推进 200 兆瓦独立储能、300 兆瓦光伏发电以及其他一系列大型能源项目的并网发电，为绿氢产业的发展提供稳定的能源支持。

尽管我国在氢能产业链布局上取得了一定的成果，但水分解效率不足导致成本居高不下的问题仍然突出。以电解水制氢为例，其成本主要由电力成本、设备成本和运维成本等构成。由于目前电解水技术的效率有限，使得制氢过程中消耗的电力较多，从而推高了成本。设备成本方面，关键设备如电解槽的价格昂贵，且使用寿命有限，进一步增加了制氢成本。成本问题已成为制约我国氢能产业发展的核心痛点，若不能有效解决，将难以实现氢能的大规模商业化应用。

二、水分解的隐藏能量屏障：氧气生成的 “分子戏法”

2.1 理论与现实的鸿沟

水分解作为制取清洁氢燃料的重要途径，从理论层面来看，其过程简洁而优雅。根据电化学理论计算，水分解只需要 1.23 伏特的电压，就能将水分解为氢气和氧气，这个过程在理想状态下，能量的转化效率可以达到很高。然而，在实际的水分解过程中，情况却复杂得多。现实中，水分解需要的电压高达 1.5 - 1.6 伏，这比理论值高出了不少。

这种理论与现实之间的能量缺口，一直是困扰科学家们的难题，也是阻碍水分解技术大规模应用的关键因素。西北大学的研究团队经过深入研究，终于揭开了这个能量缺口背后的神秘面纱。原来，水分解过程中，会发生两个半反应，分别是产生氢气的半反应和产生氧气的半反应。其中，产生氧气的半反应难度较大，需要所有的反应条件都精准匹配，这就导致它最终消耗的能量比理论计算的要多得多。

为什么产生氧气的半反应会如此困难呢？研究发现，在这个半反应中，水分子需要克服一个 “翻转” 障碍。电极表面带有负电荷，而水分子中的氢原子带正电，氧原子带负电。由于电荷的吸引作用，水分子会自然地将带正电的氢原子朝向电极表面，而此时，电子从水中的氧原子到电极活性部位的转移就会被阻止。为了让电子能够顺利转移，水分子必须发生 “翻转”，使氧原子指向电极表面，这样氢原子就不会阻碍电子的转移了。但这个 “翻转” 过程需要消耗额外的能量，这就是为什么实际水分解需要更高电压的原因之一。

2.2 关键发现：pH 值调控与分子动力学

为了深入探究水分解过程中氧气生成的机制，西北大学的科学家们采用了一系列先进的实验技术和理论计算方法。他们利用富含铁的矿物赤铁矿作为电极，这种电极材料在水分解反应中具有良好的电化学性能。同时，Geiger 的实验室制造了一种水 PR SHG 技术，这是一种非常强大的分析工具，能够让科学家们直接观察电极表面上的水分子动力学过程，从而实时追踪水分子在电极表面的行为变化。

通过实验观察和数据分析，科学家们有了一个重大的发现：水分子的 “翻转” 行为与水的 pH 值密切相关。在不同的 pH 值条件下，水分子 “翻转” 的难易程度有着显著的差异。当处于较高的 pH 值环境，也就是碱性环境时，水分子翻转的阻力较小。这是因为在碱性溶液中，存在着大量的氢氧根离子，这些离子会与电极表面的电荷相互作用，改变电极表面的电场分布，从而使得水分子更容易克服 “翻转” 障碍。在这种情况下，电子从氧原子转移到电极上的过程更加高效，水分解产生氧气的半反应也能更顺利地进行，整个水分解反应的效率得到了显著提高。

相反，在较低的 pH 值环境，即酸性环境中，水分子翻转变得更加困难，需要消耗更多的能量。这是因为酸性溶液中大量的氢离子会与水分子竞争电极表面的吸附位点，使得水分子难以按照所需的方式排列，从而增加了 “翻转” 的能量成本。这种情况下，水分解产生氧气的半反应速率会显著降低，整个水分解过程变得缓慢且低效，这也很好地解释了为什么现有催化剂在低 pH 条件下效率会骤降。

这一发现为优化水分解反应提供了新的思路和方向。通过合理调控反应体系的 pH 值，我们可以降低水分子 “翻转” 的能量障碍，提高水分解的效率，从而降低清洁氢燃料的生产成本，为氢能的大规模应用奠定坚实的基础。

三、突破路径：从实验室到产业升级

3.1 催化剂设计新思路

针对水分解过程中存在的能量屏障问题，科学家们在催化剂设计方面提出了全新的思路。传统的催化剂在促进水分解反应时，往往存在效率低下的问题，无法有效降低水分子 “翻转” 的能量障碍。而如今，研究人员通过对催化剂表面结构的深入研究，发现定制化的催化剂表面结构能够极大地促进水分子的定向排列，从而显著提高水分解的效率。

香港城市大学的研究团队在这方面取得了重要突破。他们聚焦于金属氧化物半导体钒酸铋（BiVO4），这种材料对可见光及紫外光都有反应，被视为光电化学水分解过程中性能极高的光催化剂。然而，在实际应用中，低电压下大量由光激发的电荷载流子无法被使用，导致能源流失，影响水分解的效能。研究团队经过深入研究发现，“电子陷阱态” 及 “小极化子形成” 是导致电荷载流子传输不良的主要原因。

为了解决这一问题，研究团队尝试对钒酸铋进行磷掺杂。实验结果令人惊喜，掺杂磷质后的 “钒酸铋光阳极” 电荷迁移率较一般钒酸铋增强了 2.8 倍。在 0.6V 的低压供电下，电荷分离效率提升至 80%，较原有高出 1.43 倍，而在 1.0V 供电下效率更是高达 99%。此外，掺磷的钒酸铋还降低了极化子跳跃的能量屏障，抑制了电子陷阱形成，从而改善了电荷载流子传输，在 0.6V 供电下展现出破纪录的 “光子电流转换效率”，达至 2.21%。

这一研究成果为低成本绿氢生产提供了新的可能。通过优化催化剂的结构和组成，能够在较低的电压下实现高效的水分解反应，大大降低了制氢成本。未来，随着对催化剂设计研究的不断深入，有望开发出更多高效、低成本的催化剂，推动电解水制氢技术的大规模应用。

3.2 光伏 + 氢能协同发展

除了在催化剂设计上寻求突破，光伏与氢能的协同发展也成为了降低水分解电压需求、提高 “绿电→绿氢” 转化效率的重要途径。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，将其与氢能相结合，能够实现能源的高效转换和存储。

山西鹏飞集团投资 7 亿元建设的 120MW 光伏发电制氢项目便是一个成功的范例。该项目规划建设 120MW 光伏发电装置，合理匹配建设水电解制氢装置，并建设储氢和氢气充装装置及相关的配套公用工程及辅助生产设施，拟定生产绿氢 2000 吨 / 年。通过光伏发电为电解水制氢提供电力，实现了可再生能源的直接利用，大大降低了制氢过程中的碳排放。同时，该项目的建设也为当地的能源结构调整和可持续发展做出了积极贡献。

日本信州大学的研究团队开发的二步水裂解系统同样展示了光伏与氢能协同发展的潜力。在这个系统中，一种光催化剂从水中产生氢，另一种催化剂产生氧。研究团队通过运行一个 1076 平方英尺（100 平方米）的反应堆三年，成功地证明了这一概念。在真实的阳光下，该系统的太阳能转换效率较模拟光水平提高了约 1.5 倍，模拟标准阳光下的效率最多为 1%，而在自然阳光下的效率接近 5%。

这些案例表明，将可再生能源与优化后的催化剂相结合，能够有效降低水分解的电压需求，提高 “绿电→绿氢” 的转化效率。未来，随着光伏技术和氢能技术的不断进步，以及两者协同发展模式的不断完善，有望实现 “绿电→绿氢” 转化效率的进一步突破，推动氢能产业进入快速发展的新阶段，为全球能源转型提供强大的动力支持。

四、氢能未来：从实验室到 “氢经济”

4.1 技术迭代与成本下降

随着科技的不断进步，PEM 电解槽去贵金属化进程正在加速推进。上海电气申请的制备 PEM 金属双极板防腐蚀复合涂层的方法和复合涂层专利，通过使用非贵金属涂层，减少了贵金属涂层的使用，为降低 PEM 电解槽成本提供了新的解决方案。荷兰特温特大学研究人员开发的用于 PEM 电解池电极的新型复合材料，由几种地球丰富的元素组成，活性比单个化合物高出 680 倍，有望在无铂等稀有贵金属的情况下实现高效制氢 。这些技术突破，将有效降低 PEM 电解槽的成本，推动绿氢生产成本的下降。

光催化技术的进步也为绿氢成本降低带来了希望。云南大学柳清菊教授团队与英国伦敦大学学院唐军旺教授团队、华东师范大学黄荣教授团队合作制备的新型光催化剂，分解水制氢量子效率高达 56%，为低成本绿氢生产开辟了新路径。南开大学电子信息与光学工程学院教授罗景山课题组与英国剑桥大学、瑞士洛桑联邦理工学院团队，通过开发制备以 [111] 为主要晶体取向的多晶 Cu2O 光电极，实现了光电催化制氢性能的突破 。这些研究成果表明，光催化技术在提高水分解效率、降低制氢成本方面具有巨大潜力。

随着这些技术的不断迭代和完善，绿氢成本有望从当前的 6 美元 /kg 降至 2 美元以下。届时，绿氢将在成本上与灰氢展开有力竞争，为大规模应用奠定坚实基础。国家氢燃料电池质检中心等基础设施的不断完善，也将为技术的落地提供保障。该中心位于大兴国际氢能示范区，总建筑面积 5.7 万平方米，具备全链条一站式检测能力，能为企业提供研发标定、功能验证、性能测试等服务，加速技术从实验室走向市场的进程。

4.2 氢能生态构建

北京冬奥会的氢能示范项目，为氢能在交通领域的应用树立了典范。赛事期间，816 辆氢燃料电池汽车投入使用，其中包括丰田的第二代 MIRAI 和氢能版中巴车柯斯达，以及福田的欧辉氢燃料客车等。这些车辆搭载的氢燃料电池发动机，如亿华通的产品，展现出了良好的性能，为赛事提供了绿色、高效的运输服务。这不仅是氢能在重大国际赛事中的首次大规模应用，也标志着氢能在交通领域的可行性得到了充分验证。

长治市的 “源网荷储” 一体化项目，则展示了氢能在工业和能源领域的应用潜力。该项目将电源、电网、负荷和储能形成协同工作系统，优化新能源供应和需求平衡。其中，襄垣县 “源网荷储” 一体化项目总投资 129.47 亿元，太平金烨 110 千伏输变电工程已并网稳定运行，实现了新能源就近消纳和调峰调频电力平衡，预计可使襄垣经开区绿电占比 50% 以上。这一项目的实施，推动了传统能源企业向综合能源供应转变，为打造绿色能源可持续发展样板做出了积极贡献。

未来，“氢能 + 储能” 的组合将成为重构能源格局的重要力量。氢能具有能量密度高、清洁无污染的特点，而储能技术则能解决氢能生产和使用过程中的间歇性问题，两者结合，可实现能源的稳定供应和高效利用。在 “双碳” 目标的引领下，氢能将在能源结构中扮演越来越重要的角色，助力全球能源向绿色、低碳转型。我们应持续关注科技前沿，积极推动氢能技术的发展和应用，共同见证氢能时代的到来。

参考资料来源于：新京报 环球网 一点资讯 光明网等媒体的公开报道

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