2022年度人类社会发展十大科学问题

11月28日，第四届世界科技与发展论坛在成都举办。论坛发布了“2022年度人类社会发展十大科学问题” 。这十大问题是由国内外多家著名科技期刊的编委和战略科学家，反复探讨凝练出来的，是当前科技之于人类社会，所需要回答的一些最重要的问题。这十大问题有七条都与碳中和以及能源转型相关，比如“如何兼顾经济发展和碳排放目标”“如何使制造业向低碳转型”等等。

文章图片
第四届世界科技与发展论坛
可以看出，为了可持续发展的目标，全世界的科学家都在琢磨一个大课题：如何移植人类的整个工业科技树，让它重新扎根到清洁能源这个新的土壤里。在这个移植过程中，既有已经进入应用阶段、正在迭代优化的技术，比如光伏、锂电池等等；也有更多正处于研发阶段，还在摸索大规模应用可行方案的技术，比如氢能源。
今年以来，氢能在政府议题中被频频提到，这是未来能源转型的一个关键发力点。正好我在最新一期的《自然》杂志上，看到一篇中国科学家团队发表的论文，是氢能领域的最新研究成果。这是深圳大学等高校的科学家们研制的一种电解海水制氢装置，可以在海洋中长期稳定工作，具有工业应用潜力。
说到电解水制氢，我们在中学化学课中都学过：把电池的两极接上电线插到水里，就能看到氢气和氧气的小气泡慢慢冒出来——电解海水制氢就是这个简单的原理。不过，要做出工业上可以接受的电解海水装置，一直以来都是一个技术难题。

文章图片
第四届世界科技与发展论坛
这是因为，海水中溶解了很多复杂成分，在电解过程中会腐蚀装置，或者沉淀附着在上面，电解装置用不了多久就会损坏。以往要想电解海水，需要先有一套海水过滤净化的预处理设备。但是这种设备非常昂贵，导致海水制氢的成本非常高，没法大规模应用。
这篇论文是怎么解决这个问题的呢？简单来说，研究人员通过一种巧妙的结构设计，把海水的净化、电解两个步骤，合并成了一个简单装置来完成。我在文稿区放了一张装置的结构示意图，你可以对照示意图，听我描述一下这个装置的工作原理。
装置的核心结构，就好像一个插在海水里的三明治。外面两片“面包”直接接触海水，中间的两片“火腿”和一片“面包”则是制备氢气的区域。电解的过程是这样的：
第一，中间的一片“面包”被接上电源，通过最基础的电解原理，从两片“火腿”中抽走水分，变成氢气和氧气排出。
第二，由于这个电解过程消耗了水，会导致两片“火腿”变“干” ，有了自发从外面的海水中吸水的趋势。这是利用电解造成的浓度差，直接驱动海水过滤，可以节约能耗。
第三，外面的两片“面包” ，是由先进的膜材料构成，开始发挥作用。它们不会让海水直接渗透过来，而是让海水中的微量水蒸气气泡渗透过来，补充里面两片“火腿”中的水分。同时，膜材料还可以阻挡液态的海水和其中的各种杂质和腐蚀性离子，保护两片“火腿”不被污染。这样，整个装置就可以长期稳定运行。

文章图片
第四届世界科技与发展论坛
研究人员用这个原理制作了一台样机，在深圳沿海的海水中持续运行了3200个小时，也就是四个多月的时间，验证了这个方案的可行性。接下来，他们会进一步优化装置里的材料，提高反应效率。他们还把这种装置和行业内其他的电解海水方案进行详细的经济性对比，准备把这种简单易用的制氢装置推向工业应用。