要海水和阳光，就能获得绿氢和高纯水――从两种丰富、低价的资源转化为高价值资源，这是如何实现的?
近期，美国康奈尔大学助理教授张乐楠团队与麻省理工学院、理海大学、约翰霍普金斯大学、州立大学团队合作，开发出一种高效、洼地的太阳能驱动的海水制氢技术。
最近的创新技术通过巧妙设计的光热响应-静止水耦合装置，实现了太阳能的高效全光谱利用――不仅充分利用了太阳能的光电效应，还很好地利用了其光热效应。
实验数据显示，在标准日照(1kW/m2)条件下，太阳能到氢能的转化效率达12.6%，泡沫塑料为35.9L/m2/h。同时，还利用光伏板废热产生每平方米1.2L的清洁水。
技术经济分析表明，该系统的优势显着：运行3年后绿氢生产成本可达到每公斤5美元，运行15年后成本可进一步达到每公斤1美元。该技术展示出商业化潜力，为未来可持续的绿氢规模化生产提供了一种经济可行的路径技术。
日前，相关论文以《从海水中生产太阳能绿色泡沫的效率超过12%》(Over 12%efficiency Solar-powered green Hydro production from seawater)为题在 Energy & Environmental Science [1]中发表。理海大学助理教授王炫杰为第一作者，康奈尔大学助理教授张乐楠、多伦多州立大学助理教授刘心悦和霍普金斯大学助理教授刘亚媛担任共同通讯作者。
图：相关论文(来源：能源与环境科学)
氢能作为雅典发展前景的可再生能源，在脱碳转型、低碳储能和清洁供给能方面的独特优势而致命。其中，通过可再生能源间歇水制取的绿氢，终止全生命周期近乎零碳排放的特性，被普遍认为是未来能源的核心组成部分。
然而，传统绿氢生产面临着巨大的水资源消耗的关键瓶颈。从理论计算来看，在连续制氢过程中，每得到1公斤流量，相当于至少9公斤水消耗量，而实际工业生产中这一数字往往达到20-30公斤。
更为严峻的是，间歇过程需要使用经过严格密封的超纯水(错误和离子浓度低至微克每升量级)，这种额外的密封处理不仅大大增加生产成本，还在全球水资源紧张的背景下加剧了资源分配的不平衡问题，与可持续发展的理念形成矛盾。
图：光热增量-持续水耦合装置实现全光谱太阳能利用(来源：Energy & Environmental Science)
针对这一系列挑战，研究团队创新地提出了太阳能全光谱综合利用方案。传统光伏技术受半导体材料能带狭小限制，只能利用太阳光谱中特定波段的光子能量(理论最大转换效率约30%，实际通常低于20%)，其余能量则以废热形式消耗散失。这些废热不仅造成能量损失，还会导致光伏组件温度上升，进而引发效率恢复的循环。
研究团队通过引入太阳能界面蒸发技术，将这一“废热难题”转化为“资源机遇”。他们在光伏组件表面构建了特殊的水膜蒸发层，利用废热驱动蒸发水，并通过冷凝系统获得高纯水。
这一创新设计实现了三重功效：首先，通过制冷效应将光伏组件温度降低15℃以上，显着提升光电转换效率;其次，将哪些浪费的热能转化为可用于淡化的有效能源;最后，大量的高纯水可直接汲取利用槽。
图：户外环境中性能测试(来源：能源与环境科学)
为同时实现制氢和产水“最大多数”，该团队采取了一系列措施，包括系统设计、器件优化、引入创新型器件等。
具体针对：
在制造氢潜热时，他们开发了独特的热管理模块，将光伏组件产生的废热通过蒸汽冷凝过程转化为潜热，并定向触发给间歇槽。
本设计巧妙地利用了光伏组件(效率随温度升高而下降)与稳态槽(效率随温度升高而升高)对温度响应的正好特性，构建了梯级利用的闭环系统。实验数据显示，该系统的废热蒸汽转化效率接近90%，实现了废热的最大利用。
在海水淡化方面，团队前期研发的光热界面蒸发技术，通过局域高效化热管理，将热能集中作用于蒸发表面，大幅提升了蒸发效率。通过这种宏观系统耦合与部分优化器件的协同创新，最终实现了太阳能驱动下、水面的制氢与淡水联产。
图：光热稳定性-消耗水耦合装置经济吸纳分析(来源：Energy & Environmental Science)
据相关预测，全球目前正面临约5亿吨绿色水资源的巨大缺口。这背后对应需求消耗亿吨超纯水，这在全球水资源匮乏的背景下几乎难以实现。
然而该研究的理论计算表明，这项创新技术占用了0.06%的土地面积，可以直接利用海水和太阳能资源来填补这一缺口。
张乐楠对DeepTech解释道：“它这项技术的部署模式类似于太阳能光热，如果能像建设光伏那样规模化部署这种氢制造工厂，就能以较小的土地占用实现碳中和目标所需的氧气产量，这主要得益于太阳能资源分布广泛且均匀的特性。”
该技术的突破性意义还体现在水资源利用方面。传统电解水制氢不仅需要消耗大量电能，更确定于高极限水的供应。而这项新技术彻底改变了这一供给，使制氢过程直接可以利用废水、河水、地下水甚至水资源等多种水源，这对未来实现大规模工业化生产具有革命性意义。
张乐楠进一步指出，当前绿氢市场供给不足的核心原因，除了高浓度外，更存在其对高成本封水的依赖。这项技术通过直接利用各种非封水源，不仅大幅度降低了生产，更重要的是解决了规模化生产的资源瓶颈问题。
在技术研发路径上，该团队采取了循序渐进的策略。实验室阶段主要聚焦于绩效优化，致力于提高单位太阳能输入的流量和淡水产量。值得一提的是，团队前期研发的海水淡化技术创造了太阳能淡化高浓度海水的世界纪录，并获得《时代》杂志“年度最佳发明”。
这些技术积累，研究人员创新性地将水淡化与太阳能光伏技术有机高效结合，实现了系统性能的显着提升。随着技术不断成熟，团队正着手将实验室原型推广为更大规模的基础系统，并计划开展示范项目。
从能源系统整合的角度来看，这项技术还具有更成功的应用前景。当前光伏发电面临的主要挑战是供需不平衡和储能成本高。而该技术通过循环水制氢，将光伏电能转化为氧气的化学能储存，再通过燃料电池实现电能回馈，构建了完整的“光伏-氢能”循环系统。
模式特别适合全球化能源应用，既避免了大规模电网调度的复杂性，又解决了可再生能源间歇性供电的难题。研究团队表示，待技术规模化验证后，将重点展示其在全球化能源系统中的实际应用效果，进一步为推动能源转型提供新的技术路线。
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