只需利用海水和阳光，就可以生产出绿色氢气和高纯度的水。将这两种丰裕且低成本的资源转化为具有高价值的产品，这一过程是如何实现的呢？
近期，美国康奈尔大学的助理教授张乐楠团队联合麻省理工学院、理海大学、约翰霍普金斯大学和密歇根州立大学的研究团队，成功开发了一种高效且低成本的太阳能驱动海水制氢技术。
这项创新技术通过精巧设计的光热蒸馏与电解水耦合装置，实现在太阳能的全光谱高效利用。它不仅充分发挥了太阳能的光电效应，还协同利用了光热效应。
实验数据显示，在标准日照（1kW/m2）条件下，太阳能转化为氢能的效率为12.6%，氢气的生产率为35.9升每平方米每小时。同时，还利用光伏板的废热，每平方米每小时可生成1.2升的清洁水。
技术经济分析显示，该系统的成本优势十分明显：经过3年的运行，绿氢的生产成本可降低至每公斤5美元，而经过15年的运行，成本甚至可以进一步降至每公斤1美元。这项技术展现了商业化的前景，为未来可持续的绿氢大规模生产提供了一条经济可行的技术路线。
图丨张乐楠（来源：张乐楠）
近日，相关论文以《从海水中生产太阳能绿色氢气的效率超过 12%》（Over 12% efficiency solar-powered green hydrogen production from seawater）为标题，刊登在 Energy & Environmental Science上。理海大学的助理教授王炫杰担任第一作者，康奈尔大学的助理教授张乐楠、密歇根州立大学的助理教授刘心悦以及约翰霍普金斯大学的助理教授刘亚媛共同担任通讯作者。
图丨相关论文（来源：Energy & Environment Science）
氢能因其在脱碳转型、低碳储能和清洁供能方面的独特优势，成为了一个前景广阔的可再生能源，备受关注。在这些氢能中，由可再生能源电解水生产的绿氢，因其几乎零碳排放的全生命周期特性，被广泛认为是未来能源体系的重要组成部分。
然而，传统的绿氢生产面临着严重的水资源消耗问题。从理论上来看，在电解制氢的过程中，每产生1公斤氢气，至少需要消耗9公斤水，而在实际的工业生产中，这一消耗量通常会达到20到30公斤。
更为严峻的是，电解过程需要使用经过严格净化的超纯水（其中的杂质和离子浓度低至每升微克级别）。这种额外的净化处理不仅显著提高了生产成本，还在全球水资源日益紧张的情况下，加剧了资源分配的不均衡，形成了与可持续发展理念的冲突。
图丨光热蒸馏-电解水耦合装置实现全光谱太阳能利用（来源：Energy & Environment Science）
针对这一系列挑战，研究团队提出了一种创新的太阳能全光谱综合利用方案。传统的光伏技术由于受到半导体材料能带隙的限制，仅能吸收太阳光谱中特定波段的光子能量（理论上最大转换效率约为30%，但实际通常低于20%），而剩余的能量则以废热的形式流失。这些废热不仅导致了能量的损失，还会使光伏组件的温度升高，从而引发效率进一步下降的恶性循环。
研究团队采用太阳能界面蒸发技术，将“废热问题”转变为“资源机会”。他们在光伏组件表面设立了特殊的水膜蒸发层，利用废热促使海水蒸发，并通过冷凝系统提取高纯水。
这种创新设计带来了三重好处：首先，通过蒸发制冷效应，光伏组件的工作温度降低了超过15℃，显著提高了光电转换效率；其次，将原本浪费的热能转化为可用于海水淡化的有效能源；最后，获得的高纯水可以直接用于电解槽。
图丨户外环境中性能测试（来源：Energy & Environment Science）
为了同时实现制氢和产水的“双向最优”，该团队采取了一系列措施，包括系统设计、器件优化以及引入创新型器件等。
具体而言：
在制氢过程中，他们研发了一种独特的热管理模块，可以将光伏组件产生的废热通过蒸汽冷凝的方式转化为潜热，并将其定向传递给电解槽。
该设计巧妙地结合了光伏组件（其效率随着温度上升而降低）和电解槽（其效率随着温度上升而提高）在温度响应上的相反特性，形成了一个能量梯级利用的闭环系统。实验结果表明，该系统的废热转化为蒸汽的效率接近90%，达到了废热的最佳利用效果。
在海水淡化领域，团队之前开发的光热界面蒸发技术通过局部热管理，将热能集中在蒸发表面，从而显著提高了蒸发效率。通过这种宏观系统与微观器件的协同创新，最终实现了在太阳能驱动下，高效且低成本的海水制氢与淡水的联合生产。
图丨光热蒸馏-电解水耦合装置经济可行性分析（来源：Energy & Environment Science）
根据相关预测，目前全球大约面临5亿吨绿色氢气的巨大缺口。这一需求意味着需要消耗数十亿吨超纯水，而在全球水资源短缺的背景下，这几乎难以实现。
该研究的理论计算显示，这项新技术仅需占用0.06%的土地面积，就能够直接利用海水和太阳能资源来弥补这一缺口。
张乐楠解释道：“这项技术的部署方式类似于太阳能光热电站。如果能够像建设光伏电站一样，大规模地部署这种制氢工厂，就能在较小的土地占用下实现碳中和目标所需要的氢气产量。这主要得益于太阳能资源的广泛和均匀分布。”
这项技术的突破性还体现在水资源的利用上。传统的电解水制氢方式不仅耗电量大，而且对高纯度水的需求也很高。然而，这项新技术彻底改变了这种状况，使得制氢过程可以直接使用废水、河水、地下水甚至海水等多种水源，这对未来的工业化大规模生产具有革命性的意义。
张乐楠进一步表示，目前绿氢市场竞争力不足的主要原因，不仅在于高能耗，还在于对高成本纯化水的依赖。这项技术通过直接利用各种非纯化水源，不仅显著降低了生产成本，更关键的是解决了规模化生产中资源瓶颈的问题。
在技术研发过程中，该团队采取了渐进式策略。实验室阶段主要集中于优化性能，旨在提升每单位太阳能输入所产生的氢气和淡水产量。值得一提的是，团队之前研发的海水淡化技术创造了用太阳能淡化高浓度海水的世界纪录，并荣获《时代》杂志的“年度最佳发明”称号。
基于这些技术的积累，研究人员创新性地将高效的海水淡化技术与太阳能光伏技术有机结合，从而显著提升了系统性能。随着技术的不断发展，该团队正着手将实验室中的原型设备扩展为规模更大的模块化系统，并计划进行示范项目。
从能源系统整合的角度来看，这项技术具有广泛的应用潜力。目前光伏发电面临的主要问题是供需不平衡以及储能成本偏高。这项技术通过电解水生产氢气，将光伏电能转化为氢气储存其化学能，再通过燃料电池将其转换为电能，实现了一个完整的“光伏~氢能”循环系统。
这种模式非常适合应用于分布式能源，不仅简化了大规模电网调度的复杂性，还有效解决了可再生能源供电不稳定的问题。研究团队表示，在技术经过大规模验证后，将重点展示其在分布式能源系统中的实际应用效果，以此推动能源转型的新技术路径。