11月28日，第四屆世界科技與發展論壇在成都舉辦。論壇發布了「2022年度人類社會發展十大科學問題」。這十大問題是由國內外多家著名科技期刊的編委和戰略科學家，反覆探討凝練出來的，是當前科技之於人類社會，所需要回答的一些最重要的問題。這十大問題有七條都與碳中和以及能源轉型相關，比如「如何兼顧經濟發展和碳排放目標」「如何使製造業向低碳轉型」等等。
可以看出，為了可持續發展的目標，全世界的科學家都在琢磨一個大課題：如何移植人類的整個工業科技樹，讓它重新紮根到清潔能源這個新的土壤里。在這個移植過程中，既有已經進入應用階段、正在疊代優化的技術，比如光伏、鋰電池等等；也有更多正處於研發階段，還在摸索大規模應用可行方案的技術，比如氫能源。
今年以來，氫能在政府議題中被頻頻提到，這是未來能源轉型的一個關鍵發力點。正好我在最新一期的《自然》雜誌上，看到一篇中國科學家團隊發表的論文，是氫能領域的最新研究成果。這是深圳大學等高校的科學家們研製的一種電解海水制氫裝置，可以在海洋中長期穩定工作，具有工業應用潛力。
說到電解水制氫，我們在中學化學課中都學過：把電池的兩極接上電線插到水裡，就能看到氫氣和氧氣的小氣泡慢慢冒出來——電解海水制氫就是這個簡單的原理。不過，要做出工業上可以接受的電解海水裝置，一直以來都是一個技術難題。
這是因為，海水中溶解了很多複雜成分，在電解過程中會腐蝕裝置，或者沉澱附著在上面，電解裝置用不了多久就會損壞。以往要想電解海水，需要先有一套海水過濾淨化的預處理設備。但是這種設備非常昂貴，導致海水制氫的成本非常高，沒法大規模應用。
這篇論文是怎麼解決這個問題的呢？簡單來說，研究人員通過一種巧妙的結構設計，把海水的淨化、電解兩個步驟，合併成了一個簡單裝置來完成。我在文稿區放了一張裝置的結構示意圖，你可以對照示意圖，聽我描述一下這個裝置的工作原理。
裝置的核心結構，就好像一個插在海水裡的三明治。外面兩片「麵包」直接接觸海水，中間的兩片「火腿」和一片「麵包」則是製備氫氣的區域。電解的過程是這樣的：
第一，中間的一片「麵包」被接上電源，通過最基礎的電解原理，從兩片「火腿」中抽走水分，變成氫氣和氧氣排出。
第二，由於這個電解過程消耗了水，會導致兩片「火腿」變「干」，有了自發從外面的海水中吸水的趨勢。這是利用電解造成的濃度差，直接驅動海水過濾，可以節約能耗。
第三，外面的兩片「麵包」，是由先進的膜材料構成，開始發揮作用。它們不會讓海水直接滲透過來，而是讓海水中的微量水蒸氣氣泡滲透過來，補充裡面兩片「火腿」中的水分。同時，膜材料還可以阻擋液態的海水和其中的各種雜質和腐蝕性離子，保護兩片「火腿」不被污染。這樣，整個裝置就可以長期穩定運行。
研究人員用這個原理製作了一台樣機，在深圳沿海的海水中持續運行了3200個小時，也就是四個多月的時間，驗證了這個方案的可行性。接下來，他們會進一步優化裝置里的材料，提高反應效率。他們還把這種裝置和行業內其他的電解海水方案進行詳細的經濟性對比，準備把這種簡單易用的制氫裝置推向工業應用。
如果電解海水這麼麻煩，為什麼非跟海水過不去呢，直接電解陸地上的淡水不好麼？還能省掉這麼複雜的膜材料的成本。
電解海水制氫背後，並不是只有獲得氫氣這一個目標。事實上，如果你把這套裝置反過來看，三明治外面的那兩片「麵包」，剛好是一個收集海水中各類離子的「採集器」。
國際碳酸鋰價格在最近兩年暴漲了10多倍，如今每噸價格超過了50萬元人民幣。今年一個非常熱門的投資和產業方向，就是從鹽湖、海水中提取鋰元素、稀土等寶貴的金屬材料。而這一套電解海水制氫設備，既可以產生清潔能源氫氣，又可以得到寶貴的金屬材料，可謂一箭雙鵰。
這就是人類科技樹的神奇之處——針對不同需求的技術研發，常常在同一個底層技術節點相會。