海洋氢能与锂资源协同开发战略价值
海洋，这片广袤无垠的蓝色领域，覆盖了地球约 71% 的表面，宛如一座蕴含着无尽宝藏的巨大宝库。海水中蕴藏着近乎取之不尽的氢元素和丰富的锂资源（总储量约2300亿吨），对其深入开发与利用，无疑将为人类社会的可持续发展带来深远影响。
通过电解海水等先进技术获取氢能，能够为全球能源供应注入源源不断的动力。在碳中和背景下，氢能的能量密度（142 MJ/kg）和燃料电池效率（50-60%）优势，使其在交通动力系统和分布式储能领域展现出独特竞争力。锂，作为现代电子工业和新能源产业不可或缺的关键材料。尽管海水中锂的浓度相对较低，但其储量极为丰富，远超陆地锂矿储量。通过吸附法、膜分离法等一系列高效提锂技术，能够将海水中的锂成功提取出来，为锂资源的开发开辟全新的途径，有效减少对陆地锂矿的依赖，极大地降低资源供应风险。设计高效的直接海水制氢与海水提锂工艺和装备，对于实现绿氢和锂的联动生产具有重要意义。
相关技术的情况和存在问题
海水制氢技术不断革新，尤其是海水直接电解技术，因其无需海水淡化预处理步骤而备受关注。在制氢机理、关键电解槽及催化剂设计等方面均取得了重大突破。然而，电解系统的稳定性和耐久性仍需提升，长时间运行后电极、催化剂等关键部件易出现性能衰退，影响制氢效率和设备寿命。海水提锂技术同样备受关注，吸附法和膜法是两大研究方向。日本、以色列等国开发了多种吸附剂，如氢氧化铝吸附剂、氧化锰-活性炭复合吸附剂等。锂选择性膜技术在经济和技术上具有更高的有效性，锂提取效率接近100%，锂/镁选择性可达400以上。然而，膜材料的制备成本较高，大部分技术仍处于实验室研究或小规模试验阶段。
综合来看，海水制氢和提锂技术在应用端仍受海水本身离子复杂性、腐蚀性、环境多样性的严重制约，亟需从基础层面革新开发思路和技术路线。
创新解决方案——海水制氢与提锂“一体化”膜反应器串联平台
为了攻克海水制氢和提锂领域的诸多难题，青岛储能产业技术研究院凭借其卓越的创新能力，提出了具有开创性的海水制氢与提锂“一体化”膜反应器串联平台解决方案。该方案基于聚合物离子膜对溶剂和溶质离子的多重解耦特性，从电解槽空间设计这一关键环节入手，巧妙地控制阴阳离子和水相的流向与空间分布，成功实现了无海水前处理过程的直接海水制氢-耦合提锂技术路线。
青岛储能产业技术研究院率先推出了第一代“三腔室 + 双阳膜 + 循环电解液”的反应器。其中，单价离子选择性的阳离子交换膜有效地解耦了水的扩散传输和二价杂阳离子、阴离子的传输过程；而循环电解液的精心设计，既显著节约了运行成本，又能够维持电解过程中的离子电中性。自循环的浓碱性电解液设计，能够确保电解过程中恒定的水化学势梯度，从而实现持续的水跨膜传输，最终建立起明确的“海水-电解液-H2”水/氢数值平衡关系。即使采用商业化泡沫镍作为工作电极，该电解系统（活性面积 2 × 2 cm2）也可以在 1.0 A 的电流下持续产氢超过 100 h（产氢速率达7.5 mL min⁻1），并且工作电极不受钙/镁沉淀和氯氧化物腐蚀。这一创新设计是一种全新的以天然海水为原料的制氢反应器，即便全部采用商业化材料，也能够实现绿氢的高效生产，成功打破了海水制氢领域长期存在的材料和技术限制瓶颈，为连续化海水制氢指明了研究方向。然而，从实际应用的角度审视，该反应器仍存在一定的局限性，例如需要额外的支撑电解液来维持从海水中提取水分子的过程。
针对上述问题，青岛储能产业技术研究院再接再厉，精心设计了一种零间隙电解槽（第二代），成功实现了无支撑电解液辅助的天然海水直接电解制氢。通过采用阳离子交换膜（CEM）和双极膜（BPM）集成设计的零间隙电解槽，能够在不依赖支撑电解液的情况下，实现几乎无氯腐蚀和钙镁沉淀干扰的天然海水电解制氢。基于偏压下BPM的自解离水功能，在阴极和阳极分别原位创造了有利于析氢和析氧的酸、碱环境。以天然海水为研究对象，该电解槽在100 mA cm⁻2的电流密度下持续稳定运行120小时，析氢和析氧法拉第效率均接近100%，为实现无支撑电解液辅助的天然海水直接电解制氢提供了一种全新的思路。更为重要的是，研究发现随着反应的不断进行，该反应器能够将天然海水不断原位浓缩，其产生的浓缩海水可进一步作为提锂的优质原材料。由于制氢反应后海水离子浓度的浓缩富集，使得后续的提锂过程变得更加容易、高效。
针对浓缩海水及陆地卤水资源，青岛储能产业技术研究院还开发了一种搭载离子尺寸筛分效应的锂离子分离膜的提锂反应器。该反应器不仅具备优异的一价、二价离子筛分能力，更为关键的是，其能够实现锂离子与单价离子钠离子、钾离子之间的有效筛分（筛分选择性超过103），这一性能指标高于目前报道的最好材料2-3个数量级。得益于该膜卓越的离子筛分能力，可以实现浓缩海水（或低品位卤水）的直接提锂。与其他提锂技术相比，该技术具有低成本、环保、生产周期短等显著特点。尤为值得一提的是，该提锂反应器与“零间隙”海水制氢反应器具有完美的适配性，二者有机结合，形成了直接海水制氢与海水提锂“一体化”膜反应器串联平台，从而成功实现了基于海水的绿氢和锂的联动生产，开启了海洋资源综合开发利用的新篇章。
相关工作发表在国际学术期刊 Angew. Chem. Int. Ed.及Adv. Sci.以上工作得到国家自然科学基金和山东自然科学基金等项目的支持。
原文链接：
1. Yongwen Ren, Faying Fan, Shu Zhang, Zhaohan Liu, Yaojian Zhang, Fu Sun, Jiedong Li, Lin Chen, Zhe Wang, Jingwen Zhao*, Jieshan Qiu*, Guanglei Cui*，Angew. Chem. Int. Ed. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202422840
2. Yongwen Ren, Faying Fan, Yaojian Zhang, Lin Chen, Zhe Wang, Jiedong Li, Jingwen Zhao*, Bo Tang*, Guanglei Cui*，Adv. Sci., https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202401702
3. Faying Fan, Yongwen Ren, Shu Zhang, Zhilei Tang, Jia Wang, Xiaolei Han, Yuanyuan Yang, Guoli Lu, Yaojian Zhang, Lin Chen, Zhe Wang, Kewei Zhang, Jun Gao, Jingwen Zhao*, Guanglei Cui*, Bo Tang*, Adv. Sci.,
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202402898