麻省理工等多校联合EES: 效率超12%的太阳能海水制氢新技术

第一作者：Xuanjie Wang

通讯作者：Lenan Zhang, Xinyue Liu, Yayuan Liu

共同通讯单位：麻省理工学院，康奈尔大学，约翰霍普金斯大学，密歇根州立大学

【导读】

由可再生能源驱动电解水制取的绿色氢能，正成为重工业、长途运输和化工等难减排领域的"脱碳利器"。然而，传统电解水制氢每生产1公斤氢气至少消耗9公斤纯净水，不仅增加生产成本，也与全球约40亿人面临水资源短缺的现实形成冲突。海水电解制氢是解决氢气生产中淡水资源消耗的重要途经之一，发展潜力巨大，但现有方法普遍依赖昂贵催化剂或额外的海水预处理，带来高能耗和额外碳排放。开发新型的太阳能驱动海水制氢方法，实现"海水+阳光→高纯水+绿色氢能"的一体化生产，是解决绿氢生产中水-能源耦合难题的重要途经。

【成果掠影】

近日，由麻省理工学院等高校组成的研究团队设计了一种光热蒸馏-电解水耦合装置（HSD-WE），成功实现了太阳能驱动下高效海水电解制氢。该装置充分利用太阳能全光谱能量，光伏电能用于水电解制备氢气，光伏板余热驱动海水蒸馏制备高纯水。以太阳光和海水为输入，在标准日照（1 kW/m²）条件下实现了12.6%的太阳能-氢气（STH）转换效率，氢气产量达到35.9 L/m²/h，同时副产1.2 L/m²/h高纯水。该方法能够实现可持续的绿氢生产，摆脱了对外部高纯水和电力的依赖，兼具高能效和良好的技术经济可行性，为低成本绿氢生产提供了切实可行的解决方案。

【数据预览】

图1 光热蒸馏-电解水耦合装置实现全光谱太阳能利用：（a）高能光子（超出光伏电池带隙的部分）被转换为电能（绿色区域），驱动电解水制氢，而光热效应产生的热能（黄色区域）则被用于界面蒸馏以淡化海水，为电解系统提供水源；（b）光热蒸馏-电解水耦合装置工作原理。

图2 光热蒸馏-电解水耦合装置设计及性能表征：（a）和（b）装置结构示意图；（c）光伏组件电流-电压（I-V）特性；（d）和（e）基于虹吸效应实现蒸发器抗盐；（f）和（g）蒸发过程中盐析出；（h）PEM电解槽不同温度下的I-V曲线。

图3 光伏组件与PEM电解槽的I-V特性耦合：（a）光伏组件与PEM电解槽I-V曲线；（b）太阳能-氢气效率随串联太阳能电池数量变化；（c）太阳能-氢气效率随过电位变化。

图4 实验室环境中性能测试：（a）装置测试平台；（b）光伏组件和PEM电解槽I-V曲线；（c）装置温度变化；（d）海水蒸发率及产氢量；（e）氢气收集过程；（f）太阳能-氢气效率。

图5 户外环境中性能测试：（a）户外测试平台；（b）装置温度；（c）辐照强度及太阳能-氢气效率；（d）氢气收集过程。

图6 光热蒸馏-电解水耦合装置经济可行性分析：（a）产氢成本随运行时间变化；（b）预估年均氢气产量全球分布。

【成果启示】

该研究开发了一种高效、低成本的太阳能驱动海水电解制氢系统，充分利用太阳能全光谱，实现了"海水+阳光→绿色氢能+高纯水"的协同转化：光伏组件将高能光子转化为电能驱动电解反应，同时利用低能光子产生的余热进行海水淡化。装置依托全被动运行模式和低成本材料，有望将绿氢成本降至$1/kg以下，推动绿色氢能向低成本、高能效方向发展。

原文详情：

Xuanjie Wang, Jintong Gao, Yipu Wang, Yayuan Liu, Xinyue Liu, and Lenan Zhang. Over 12% efficiency solar-powered green hydrogen production from seawater. Energy & Environmental Science, 2025.

DOI: 10.1039/D4EE06203E