综述：膜调控海水电解技术用于可持续氢气生产

《Water Research》：Membrane-Regulated Seawater Electrolysis for Sustainable Hydrogen Production

　　

刘中婷|袁静芬|单松鹏|李光普|顾松|陈成|于伟|周明珠|萨利姆·拉扎|刘颖|林洪军|肖彦超|沈立国

摘要

直接海水电解（DSE）已成为可持续氢生产的一种有前景的途径，但其实际应用仍受到无机结垢、氯诱导腐蚀、寄生反应以及复杂海水基质固有的不稳定界面环境的限制。尽管最近的研究主要集中在电催化剂和电解槽设计上，但膜调控策略通过系统层面调节水和离子传输提供了一种替代途径。本文批判性地评估了渗透压、电场和蒸汽压驱动的膜过程如何重塑DSE中的反应环境，重点讨论了它们在现实条件下减轻污染、结垢和氯化学作用方面的作用。本文比较了三种代表性方法——渗透压驱动的水供应、双极膜实现的pH调节和气相分离——在传输机制、环境鲁棒性和操作权衡方面的表现。除了性能指标外，还特别关注了与膜污染、长期稳定性以及实验室模型与自然海水系统之间的不匹配相关的挑战。通过整合膜科学和水处理的观点，本文强调了膜驱动DSE的机会和局限性，并概述了在水资源紧张和沿海地区实现环境可持续和可扩展氢生产的关键方向。

引言

全球能源系统正在经历一场深刻的转型，这一转型受到深度脱碳和可再生能源资源快速扩张的双重驱动（Castelvecchi, 2022, Zhou et al., 2022, Sharma et al., 2023）。随着化石储备的减少和碳排放限制的加强，开发清洁、低碳和高效率的能源载体已成为实现长期气候目标的核心优先事项（Coleman et al., 2020, Keme? and Alt?nay, 2023）。在各种选项中，氢因其零碳足迹、高比能量密度以及在电力、工业和交通领域的广泛应用而成为二十一世纪能源转型的基石（Winter, 2009, Kova? et al., 2021, Lebrouhi et al., 2022, Yang et al., 2022）。

氢可以通过多种技术路线生产，通常使用定性的“颜色代码”系统进行分类。然而，这种分类未能充分反映不同生产途径的真实环境影响。随着碳中和目标的明确化，生命周期温室气体排放强度已成为区分氢来源的更严格指标（Liu et al., 2022）。在这个框架下，绿色氢指的是通过完全由可再生能源驱动的零碳过程生产的氢，其中水电解和生物气蒸汽重整是目前技术最成熟的路线（Yu et al., 2021）。

在这些选项中，水电解因其环境友好性、工艺简单性和高产品纯度而受到广泛关注。根据国际能源署的数据，到2030年，包括通过可再生能源驱动的水电解和结合碳捕获、利用和储存的化石基路线生产的低排放氢的全球需求预计将超过600万吨（Wang et al., 2025）。然而，基于电解的氢生产的大规模应用仍受到对高纯度淡水的依赖以及相关能源和基础设施成本的限制。

随着全球淡水资源的日益稀缺和水质恶化的加剧，基于淡水的电解的可持续性受到了越来越多的质疑（Terlouw et al., 2024）。在干旱的内陆和沿海地区，电解的高用水需求直接与淡水保护和社会需求相竞争，成为绿色氢技术扩展的关键瓶颈（Lampert et al., 2016, Beswick et al., 2021, He et al., 2021）。因此，开发基于海水的电解路线——可以绕过淡水净化并利用丰富的海洋资源——已成为可持续氢生产的一个有前景的方向。

章节摘录

用于氢生产的水电解基础

典型的水电解系统由三个核心组件组成：电解质、阴极和阳极。当施加外部电位时，水分子在阴极通过氢演化反应（HER）和在阳极通过氧演化反应（OER）被电化学分解为氢和氧。根据电解质环境的不同，整体反应和半电池反应可以总结如下：

整体反应：H₂O?→?H₂+ 1/2O₂

在酸性介质中：阴极

膜分离技术

膜分离是一系列利用选择性渗透膜作为核心介质来实现分离、纯化或浓缩的过程。在外部驱动力作用下，进料中的特定成分——分子、离子或颗粒——以不同的速率穿过膜，从而实现选择性的质量传递和成分分离。

根据主导的驱动机制，膜过程可以大致分为四类：

(1)

海水电解与膜分离技术的集成策略

压力驱动的膜过程目前主要用于上游脱盐或预处理，这基本上对应于传统的脱盐-电解路线。迄今为止，很少有报道将压力驱动的膜过程与海水电解直接集成以进行原位电化学环境调节，主要是因为这些过程不直接参与界面离子调节或电化学传输控制

结论

将膜分离与海水电解集成提供了一种有前景的途径，可以缓解DSE的主要限制，包括氯诱导腐蚀、无机结垢和寄生副反应。与依赖能源密集型脱盐预处理的传统ISE路线不同，膜驱动的系统可以在原位调节水和离子传输，从而在氢生产过程中稳定电化学环境。

本文总结了三种代表性的

作者贡献

刘中婷：方法论、调查、数据分析、可视化、写作——初稿。袁静芬：调查、文献分析、写作——审阅与编辑。单松鹏：调查、数据收集。李光普：调查、数据收集。顾松：调查、数据整理。陈成：调查、资源协调。于伟：调查、资源协调。周明珠：形式分析、调查。萨利姆·拉扎：调查、文献综述。刘颖：调查。

数据可用性

本综述未包含任何原始研究成果、软件或代码，也没有生成或分析新的数据。

数据可用性

本文描述的研究没有使用任何数据。

CRediT作者贡献声明

刘中婷：写作——初稿、可视化、方法论、调查。袁静芬：写作——初稿、调查。单松鹏：调查。李光普：软件、调查。顾松：调查。陈成：调查。于伟：资源协调、调查。周明珠：软件、调查。萨利姆·拉扎：调查。刘颖：调查。林洪军：软件、调查。肖彦超：写作——初稿、监督、调查，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了浙江省杰出青年学者科学基金（持续资助）（编号LRG26E080002）、浙江省“先锋”和“领头雁”研发计划（编号2026C04027）以及金华市科技项目（2023-1-058）的资助。