只需要海水和陽光，就能獲得綠氫和高純水——從兩種豐富、低價的資源轉化為高價值資源，這是如何做到的？

近期，美國康奈爾大學助理教授張樂楠團隊與麻省理工學院、理海大學、約翰霍普金斯大學、密歇根州立大學團隊合作，開發出一種高效、低成本的太陽能驅動的海水制氫技術。

這項創新技術通過巧妙設計的光熱蒸餾-電解水耦合裝置，實現了太陽能的全光譜高效利用——不僅充分利用了太陽能的光電效應，還協同利用了其光熱效應。

實驗數據顯示，在標準日照（1kW/m2）條件下，太陽能到氫能的轉化效率達 12.6%, 氫氣生產率為 35.9L/m2/h。與此同時，還利用光伏板廢熱產生每平方米每小時 1.2L 的清潔水。

技術經濟分析表明，該系統的成本優勢顯著：運行 3 年后綠氫生產成本可降至每公斤 5 美元，運行 15 年后成本可進一步降至每公斤 1 美元。該技術展示出商業化潛力，為未來可持續的綠氫規模化生產提供了一種經濟可行的技術路徑。

圖丨張樂楠（張樂楠）

日前，相關論文以《從海水中生產太陽能綠色氫氣的效率超過 12%》（Over 12% efficiency solar-powered green hydrogen production from seawater）為題發表在Energy & Environmental Science[1]。理海大學助理教授王炫杰是第一作者，康奈爾大學助理教授張樂楠、密歇根州立大學助理教授劉心悅和約翰霍普金斯大學助理教授劉亞媛擔任共同通訊作者。

圖丨相關論文（Energy & Environment Science）

氫能作為極具發展前景的可再生能源，因其在脫碳轉型、低碳儲能和清潔供能方面的獨特優勢而備受矚目。其中，通過可再生能源電解水制取的綠氫，因其全生命周期近乎零碳排放的特性，被普遍認為是未來能源體系的核心組成部分。

然而，傳統綠氫制備面臨巨大的水資源消耗的關鍵瓶頸。從理論計算來看，在電解制氫過程中，每得到 1 公斤氫氣，對應至少 9 公斤水消耗量，而實際工業生產中這一數字往往達到 20-30 公斤。

更嚴峻的是，電解過程需要使用經過嚴格純化的超純水（雜質和離子濃度低至微克每升量級），這種額外的純化處理不僅大幅增加生產成本，還在全球水資源日益緊張的背景下加劇了資源分配的不平衡問題，與可持續發展的理念形成矛盾。

（Energy & Environment Science）

針對這一系列挑戰，研究團隊創新性地提出了太陽能全光譜綜合利用方案。傳統光伏技術受半導體材料能帶隙限制，僅能利用太陽光譜中特定波段的光子能量（理論最大轉換效率約 30%，實際通常低于 20%），其余能量則以廢熱形式耗散。這些廢熱不僅造成能量損失，還會導致光伏組件溫度升高，進而引發效率進一步下降的惡性循環。

研究團隊通過引入太陽能界面蒸發技術，將這一“廢熱難題”轉化為“資源機遇”。他們在光伏組件表面構建了特殊的水膜蒸發層，利用廢熱驅動海水蒸發，隨后通過冷凝系統獲得高純水。

這一創新設計實現了三重效益：首先，通過蒸發制冷效應將光伏組件工作溫度降低 15℃ 以上，顯著提升光電轉換效率；其次，將原本浪費的熱能轉化為可用于海水淡化的有效能源；最后，產出的高純水可直接供給電解槽使用。

圖丨戶外環境中性能測試（Energy & Environment Science）

為同時達到制氫和產水“雙向最優”，該團隊采取了一系列措施，包括系統設計、器件優化、引入創新型器件等。

具體而言：

在制氫環節，他們開發了獨特的熱管理模塊，將光伏組件產生的廢熱通過蒸汽冷凝過程轉化為潛熱，并定向傳遞給電解槽。

這一設計巧妙地利用了光伏組件（效率隨溫度升高而下降）與電解槽（效率隨溫度升高而提升）對溫度響應的相反特性，構建了能量梯級利用的閉環系統。實驗數據顯示，該系統的廢熱-蒸汽轉化效率接近 90%，實現了廢熱的極致利用。

在海水淡化方面，團隊此前研發的光熱界面蒸發技術通過局域化熱管理，將熱能集中作用于蒸發表面，大幅提升了蒸發效率。通過這種宏觀系統耦合與微觀器件優化的協同創新，最終實現了太陽能驅動下高效、低成本的海水制氫與淡水聯產。

（Energy & Environment Science）

據相關預測，全球目前正面臨大約 5 億噸綠色氫氣的巨大缺口。這背后對應需消耗數十億噸超純水，這在全球水資源短缺背景下幾乎難以實現。

然而該研究的理論計算表明，這項創新技術僅需占用 0.06% 的土地面積，即可直接利用海水和太陽能資源來填補這一缺口。

張樂楠對DeepTech 解釋說道：“它這項技術的部署模式類似于太陽能光熱電站，如果能像建設光伏電站那樣規模化部署這種制氫工廠，就能以較小的土地占用實現碳中和目標所需的氫氣產量，這主要得益于太陽能資源分布廣泛且均勻的特性。”

該技術的突破性意義還體現在水資源利用方面。傳統電解水制氫不僅需要消耗大量電能，更受限于高純度水的供應。而這項新技術徹底改變了這一局面，使制氫過程可以直接利用廢水、河水、地下水甚至海水等多種水源，這對未來實現大規模工業化生產具有革命性意義。

張樂楠進一步指出，當前綠氫市場競爭力不足的核心原因，除了高能耗外，更在于其對高成本純化水的依賴。這項技術通過直接利用各種非純化水源，不僅大幅降低了生產成本，更重要的是解決了規模化生產的資源瓶頸問題。

在技術研發路徑上，該團隊采取了循序漸進的策略。實驗室階段主要聚焦于性能優化，致力于提高單位太陽能輸入的氫氣和淡水產量。值得一提的是，團隊此前研發的海水淡化技術創造了太陽能淡化高濃度海水的世界紀錄，并獲得《時代》雜志“年度最佳發明”。

基于這些技術積累，研究人員創新性地將高效海水淡化與太陽能光伏技術有機結合，實現了系統性能的顯著提升。隨著技術不斷成熟，團隊正著手將實驗室原型擴展為更大規模的模塊化系統，并計劃開展示范項目。

從能源系統整合的角度來看，這項技術還具有更深遠的應用前景。當前光伏發電面臨的主要挑戰是供需不平衡和儲能成本高。而該技術通過電解水制氫，將光伏電能轉化為氫氣的化學能儲存，再通過燃料電池實現電能回饋，構建了完整的“光伏-氫能”循環系統。

這種模式特別適合分布式能源應用，既避免了大規模電網調度的復雜性，又解決了可再生能源間歇性供電的難題。研究團隊表示，待技術完成規模化驗證后，將重點展示其在分布式能源系統中的實際應用效果，進而為推動能源轉型提供新的技術路徑。

參考資料：

1.Xuanjie Wang et al. Over 12% efficiency solar-powered green hydrogen production from seawater.Energy & Environment Science(2025). DOI: 10.1039/D4EE06203E

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