双碳战略深入落地,绿色氢能成为沿海区域能源转型核心赛道,海上风电耦合就地海水制氢模式具备广阔发展前景。但高成本贵金属催化剂、海水氯离子腐蚀、规模化制备难度大、淡水资源消耗高等多重行业痛点,长期阻碍产业规模化落地。浙江海洋大学石化与环境学院学生科创小组自主研发钴铁基空心自支撑催化电极,完成全流程中试验证,依靠独创耐氯腐蚀微观结构与低能耗常温制备工艺,性能对标进口贵金属电极,打造国产化低成本海水制氢核心材料解决方案,打通海洋绿氢产业化堵点。

一、海水制氢产业痛点凸显,催化材料成为产业化最大阻碍

当前商用海水分解电解槽阳极普遍依赖铱、钌等稀有贵金属原料,产业链短板集中暴露:

其一,贵金属矿产资源高度依赖海外进口,供货稳定性不足,电极单片造价高达6100-6800元每平方米,占整套电解设备投入三成;

其二,天然海水内含大量氯离子,电解过程易生成氯气腐蚀电极基底,钙镁矿物质沉淀会堵塞催化活性位点,市面主流产品在天然海水连续运行时长不足300小时,设备运维、更换成本居高不下;

其三,传统高温水热合成工艺仅能实现实验室小批量制备,能耗高、不同批次材料性能差距大,难以转化为工业化量产;

其四,沿海地区淡水资源稀缺,舟山等地人均淡水资源远低于全国平均水平,海水淡化预处理工序每吨水电耗3至10千瓦时,进一步抬升制氢综合成本,形成“造价高、难量产、收益低”的行业困境。

行业调研数据显示,2026年国内海水电解催化剂市场规模约3-4亿元,预计2030年市场规模将攀升至16.3-25.5亿元,市场亟需国产长效、低价非贵金属催化产品替代进口材料。

二、五大原创技术创新,打造国产化催化电极核心竞争力

科研团队以普鲁士蓝类金属有机框架材料为前驱体,开展上百组对照合成实验,反复调试反应参数,构筑独特空心自支撑微观结构,针对性解决海水工况下腐蚀、失活难题。

图1 实验室小试阶段

团队自研铁钴双金属PBA基催化电极,在原料配比、微观结构、生产工艺三大维度实

现全方位创新突破:空心多级孔道结构:大幅提升材料比表面积,强化电解液传质效率,在工业标准0.5A·cm⁻²电流密度下,电极过电位仅568mV,催化活性可媲美贵金属商用产品;原位生成耐氯保护层:通过晶格束缚钴氰酸根、富集界面氢氧根离子形成双重防护屏障,抑制氯气副反应生成,副产占比低于0.5%,天然海水环境稳定运行时长突破1000小时;全非贵金属原料体系:摒弃稀有贵金属,原材料综合成本仅为贵金属电极的一半,终端售价控制在3200-3500元/㎡,大幅降低设备采购门槛;常温常压共沉积制备工艺:无需高温高压大型配套设备,生产能耗降低60%,可直接实现平方米级工业化批量生产,产品良品率稳定在95%以上;标准化通用外形设计:尺寸适配市面绝大多数主流电解槽阳极,企业无需改造现有生产设备即可直接替换,大幅缩减技术落地改造投入。

三、学子扎根实验室,千次试验打磨海洋绿氢新材料

浙江海洋大学石油化工与环境学院实验室内,科创小组开展新型海水电解催化电极样品检测与性能验证工作,三组实拍画面记录下一线研发日常:团队成员手持成型催化电极样品,细致观察表面形貌,沟通工艺优化思路,对照实验台账梳理材料结构改良方向。

图2 分析与结构优化过程

从金属盐原料配比调配、常温共沉积成型,到样品清洗、烘干定型,再到外观初筛,每一道工序都经过多轮优化。为攻克氯离子腐蚀、活性位点快速失效等行业难题,团队累计完成数百组平行对比实验,持续微调合成参数,优化空心孔道结构与抗腐蚀保护层配方。依托学院专业实验平台,成员详细记录每一批次样品参数,筛选高性能电极开展电化学性能测试与天然海水实景试运行。

图3团队成功制作催化剂

一枚轻薄的催化电极样品,承载着青年学子突破国外贵金属材料垄断的科研初心。在校学生科研团队坚守实验室一线,以严谨细致的科研态度深耕海洋绿色氢能新材料赛道,持续迭代非贵金属电极核心技术,顺利完成实验室成果到工业化中试的转化,为沿海地区海上风电配套海水制氢产业国产化注入青年科研力量。

 

团队借助电化学工作站、微观形貌表征设备完整采集催化剂各项性能参数,通过海量实验数据交叉比对,厘清材料微观结构、催化活性与海水耐腐蚀稳定性之间的关联逻辑,持续迭代优化整套制备工艺。经过多轮试验改良,这款普鲁士蓝衍生空心自支撑催化电极在模拟天然海水工况下,兼具优异催化效率与长效耐腐蚀性,为海水制氢行业提供一套低成本国产化非贵金属催化技术方案,助力海洋绿色氢能产业高质量发展。(通讯员:浙江海洋大学石油化工与环境学院学生科创团队)

(来源：中国教育导报）