陽光與海水驅動低成本綠色氫氣與潔淨水的可持續製取

一個由康奈爾大學主導的研究團隊構建了一個尺寸為10厘米×10厘米的原型裝置，能夠通過太陽能驅動的海水電解過程製備無碳“綠色”氫氣，並同時產出一個重要的副產品：可飲用水。

由康奈爾大學主導的科研團隊在可持續技術領域實現了“三重奏”的突破：該團隊開發出一種低成本的碳中和“綠色”氫氣製備方法，利用太陽能電解海水進行製氫，同時還能副產可飲用的淡水。

該團隊提出的混合太陽能蒸餾-水電解（HSD-WE）裝置於2025年4月9日發表在《能源與環境科學》期刊上。據報道
，該裝置可在自然陽光照射下，每小時直接從海水中產出200毫升氫氣


，能源轉化效率達12.6%。研究人員預計，該技術有望在未來15年內將綠色氫氣的製備成本降低至每千克1美元，為實現2050年淨零排放目標邁出關鍵一步。

“水與能源在我們的日常生活中都至關重要，但通常情況下，如果想要獲得更多能源
，就必須消耗更多水資源，”康奈爾大學工程學院機械與航空航天工程係助理教授、本項目負責人Lenan Zhang指出，“lingyifangmian，quanqiuyousanfenzhierderenkoumianlinshuiziyuanduanquewenti，yincilvseqingqizhibeidepingjingzhiyijiuzaiyushuiziyuandexiaohao
，zheyezhijiefanyingzaiqigaoangdechengbenshang。”

綠色氫氣是通過電解“高純度”（即去離子）水分子生成氫氣和氧氣而獲得的。然而，這一過程需要大量潔淨水
，導致綠色氫氣的生產成本約為傳統氫氣的十倍。

“正因如此
，我們提出了這項技術

，”Zhang表示，“我們思考：地球上最豐富的資源是什麼
？陽光和海水幾乎是取之不盡
、用之不竭的免費資源。”

在擔任麻省理工學院（MIT）研究科學家期間，Zhang開始探索如何利用太陽能熱脫鹽技術將海水轉化為飲用水，該研究曾被《時代》雜誌評為“2023年最佳發明之一”。2024年Zhang加入康奈爾大學後，獲得美國國家科學基金會（NSF）的支持，將該技術拓展至綠色氫氣的生產。

在與MIT、約翰斯·霍普金斯大學和密歇根州立大學的研究人員合作下，Zhang團隊設計出一款10厘米×10厘米的原型裝置，巧妙利用光伏發電的“副作用”——即其較低的光電轉換效率。多數光伏電池隻能將約30%的太陽能轉化為電能
，其餘則以廢熱形式散失。而該裝置可有效利用這部分廢熱
，加熱海水直至其蒸發。

“基本上，短波長的太陽光用於光伏發電
，而長波長部分則產生廢熱
，驅動海水蒸餾過程
，”Zhang解釋道，“這樣一來，太陽能就能得到全麵利用，毫無浪費。”

為實現界麵熱蒸發的高效轉化，裝置中引入了關鍵組件——毛細芯結構
，用於將海水吸附形成緊貼太陽能電池表麵的薄膜。相比加熱整塊水體，僅加熱該薄膜大大提高了蒸發效率，蒸發率可超過90%。當海水蒸發後，鹽分被留在裝置中
，淡化後的水汽則冷凝成潔淨水，並流入電解槽進行電解，最終分解生成氫氣與氧氣。

“這是一項高度集成的技術，其設計極具挑戰性

，因為它涉及多個耦合過程：脫鹽與電解相耦合、電解與太陽能電池相耦合
，以及太陽能電池與脫鹽過程在太陽能、電能、化學能和熱能之間的多重轉換與傳輸。”Zhang表示

，“如今
，我們首次實現了足以滿足氫氣製備需求的水量供應，同時還能產出部分飲用水，可謂一舉兩得。”

目前綠色氫氣的生產成本約為每千克10美元。但Zhang表示
，考慮到陽光與海水的廣泛可得性
，其團隊的裝置在未來15年內有望將成本降低至1美元每千克。此外，他還設想將該技術集成於太陽能農場
，不僅可為光伏板降溫、提升發電效率
，還能延長其使用壽命。

“我們既希望避免碳排放與汙染
，又關心成本問題——因為成本越低，規模化推廣的潛力就越大，”他說
，“我們相信該技術在未來具有巨大的部署潛力。”

該論文第一作者為Lehigh大學的Xuanjie Wang，合著者包括博士生Yipu Wang（2024年碩士畢業）
、博士後Jintong Gao
、約翰斯·霍普金斯大學的Yayuan Liu以及密歇根州立大學的Xinyue Liu。

本研究得到了美國國家科學基金會的資助。

翻譯人：沈亞皓

來源：

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