谢和平院士的跨界冒险之旅
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“你看看这片海，多漂亮，是取之不尽的‘金矿’啊……”在深圳湾滨海长廊，看着夕阳的余晖洒在海面上，就像金子般闪耀着，谢和平不由得发出感慨。
谢和平，中国工程院院士、四川大学原校长。2018年，63岁的谢和平卸任四川大学校长后，来到深圳大学任特聘教授，也是深大深地科学与绿色能源研究院院长。
在深圳，谢和平一待就是5年，从陌生到熟悉，也逐渐爱上了这座城市。作为国内力学与能源工程领域专家，他把这段旅程定义为“再创业”。
本期《先行》，让我们一起走进“六十归来仍少年”的谢和平，感受他在深圳“再创业”的跨界冒险之旅。
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初抵鹏城，准备大干一场的谢和平就在思考，来到深圳要研究的第一个研究课题内容。萦绕在心头的这个难题，是深圳滨海清澈的海水，给了他启发。“深圳的地面有取之不尽的海水，地下有取之不尽的地热，都可以转变为能源，所以我就在思考，海水能不能够直接制氢？” 谢和平向团队成员表达了自己的想法。谢和平长期研究岩体力学和煤燃料领域，海水制氢对他和他的团队来说，完全是一个陌生的新领域。这次的跨界尝试，将是一场大胆的冒险。尽管前路未知，但是整个团队都充满激情，一场“海水制氢”的冒险之旅即将拉开序幕。海洋是地球上最大的氢矿，向大海要水是未来氢能发展的重要方向，但复杂的海水成分导致海水制氢面临诸多难题与挑战。20世纪70年代初便有科学家提出，海水直接电解制氢的设想。在近半个世纪的研究中，大家普遍采用通过催化剂的方式电解海水制氢，但海水中复杂的成分会导致催化剂失活、隔膜堵塞等问题。带着疑问，这天，谢和平和团队成员打算进行“海水制氢”的第一次实验。既然实验的主角是海水，第一步就是取水做电解实验。在实验室里，团队成员翟朔正在仔细分析海水成分。“这里出现了很多黑色的杂质，这个杂质就是由于催化剂在长期运行中失活导致的。在大批量海水电解的过程中，析氢的同时还会伴随大量氯气的产生，使得制取的氢气不纯。” 翟朔说道。为了攻克这一难题，团队内部进行了多次“头脑风暴”。作为导师的谢和平提出了一个大胆的假设：尝试不通过催化剂，采用物理力学的办法，把海水的水汽抽取过来，其他物质隔离开。然而，在尝试了几个路径后都无果。“当时我们做了很多实验，试了很多方法，但还是没有实质性的突破，对我们的打击还是挺大的。”团队内的一位实验员说。规模化的高效稳定海水直接电解制氢是一项世界性难题。看到团队成员纷纷气馁，谢和平为他们打气，“这是一场跨界研究，跨界也可以说是‘无知’，‘ 跨界无知’，我们反而就有胆量提出要求。”不使用催化剂，还有其他方式吗？就在一筹莫展之际，团队另一个项目的实验，却给谢和平和团队的跨界研究，带来了意外之喜。当时，谢和平和团队还同步在开展国家基金委大科学仪器项目——深地“五保取芯”，这个实验要求在地下深部，通过膜的包裹，取出保压、保温、保质、保光、保湿的原位土壤。尽管这场实验的保质、保温、保光都100%达到了要求，但是一段时间后，水分就会挥发，水汽通过膜透了出来，实验宣告失败。看到水汽挥发了，谢和平和团队突然茅塞顿开：是否可以通过膜透气不透水的机理，来隔绝海水中的杂质离子？这就好像在海水电解过程中，安装了一个“漏斗”样的过滤器。上一个实验失败的原因，却刚好能够支撑“海水制氢“构想的要求，也为研究提供了一个新思路。随后，团队立马付诸行动，先做了一套小型设备，验证思路的可行性。
实验室里又热火朝天了起来，新的思路和新的构想，让整个团队的士气大涨。在小型设备中，清晰可见海水在电解过程中，水会在压力差的作用下，以气体分子的形式，穿越膜里纳米级别的气体微观孔道，从而进入到电解装置里。“这真正意义上实现了海水当做纯净水来用，也是我们海水电解过程中非常重要的原理。” 翟朔开心地说道。倒水、电解、倒水、再电解……就这样，谢和平和团队成员们轮番进行了多次实验，海水潮湿的气味充斥在房间中，实验室的灯常常直到深夜都还亮着……经过多日奋战，一套400升/时的海水电解制氢技术装备研制成功，它的容量更大、效率更高，采用的是物理力学与电化学相结合的全新思路，创造性地开创了海水无淡化原位直接电解制氢新原理与技术。“当我们电解海水的时候，电解装置里面是装满氢氧化钠电解溶液，随着电解进行，电解液浓度不断变高，这个时候，在气压差和浓度差的作用下，海水会以气体分子形式穿过自呼吸膜进到电解装置中再液化，这就相当于电解纯水，从而制取出氢气。”谢和平介绍道。目前，这套设备已在深圳湾海水中连续运行超3200小时，令人信服地从海水中实现了稳定和规模化制氢过程。“我太兴奋了！有种如释重负的感觉，有时候灵感爆发，就是一瞬间的事。”在实验室里，实验员开心地说道。向前沿发力，向科研进军。2022年11月，这项研究成果被发表在国际知名学术期刊《自然》上。业内专家高度评价称，谢和平和他的团队“完美地解决了有害腐蚀性这一长期困扰海水制氢领域的问题，将打开低成本燃料生产的大门，有望推动变革走向更可持续的世界。” 更为重要的是，这项技术，将有望打破现有电解水制氢必须向系统供给纯水的固有思维，可形成“海上风电再生资源——海水直接电解制氢”一体化工业模式的全链条式零碳氢能发展路径。3月17日，在北京举办的2022年度中国科学十大进展颁奖现场，谢和平和团队的“全新原理实现海水电解制氢”研究脱颖而出，成功入选，被誉为成功破解了“海水直接电解制氢”的世纪难题，开启无需纯水的制氢新时代。接过证书后，谢和平和团队成员相视而笑，在荣誉的背后，只有他们自己才知道这是多么的来之不易，其背后的意义又是多么地重要。“这次获奖与众不同，是我在深圳‘学术再创业’获的奖，这个成果对我和团队来说都非常重要。面对大湾区的能源问题，把海水资源转化为海水能源，为我们国际绿色能源——氢能开创了全新路径。”谢和平说道。从事同一专业领域的中国科学院化学研究所研究员张建玲认为，该技术是真正意义上直接的海水电解制氢技术，而且能耗低、没有副反应，颠覆了以往传统电解水制氢中，必须需要用纯水的路径，也为资源富集浓缩与能源生产提供多效利用新思路。北京领奖归来，谢和平仍在不断复盘和总结，思考如何更好地将实验成果运用到实际中。于是，推动海水制氢科研成果迭代升级、走向产业化，成为他和团队未来的目标。“海上风电和海水制氢结合最合适，制化氢以后，我们再把固体储运对接上。”、“如果有现成的油气管道就可以把氢气输回来了，如果不行，就变成固态氢。”……这些天，研究院频有相关领域的企业到访，谢和平在电梯间，就迫不及待地介绍起了自己海水制氢的产业化构想。按照他的设想，这项技术可以通过海上风电等可再生能源，与海水直接电解制氢，形成一套一体化全新工业模式。此外，该原理也可以用于河水、湖水、工业废水等非常规水资源，实现非纯水的资源化、能源化双效利用。听完介绍后，双方相谈甚欢，企业都表现出了浓厚的兴趣，合作一触即发……此次谢和平的“深圳再创业”之旅，从一开始“无知”的跨界设想，到尝试、失败、尝试、再失败，最终抵达成功的彼岸，正是应了那句谚语——锲而舍之，朽木不折；锲而不舍，金石可镂。如今，谢和平将更多精力投向了学术研究，他希望能带领一批有活力、有拼劲的年轻人，在这座朝气蓬勃的创新型城市，在科学研究的道路上不断勇攀高峰。用谢和平自己的话说：“六十归来仍少年”，在科技创新的路上永葆青春。“不耻最后”，即使慢，驰而不息，但一定可以达成所向往的目标。再次走在深圳美丽的滨海海岸线上，谢和平平静地望着大海，不由得想起了刚来深圳的光景。深圳的活力，就如同眼前波涛汹涌的海水，充满生命力。这场跨界的冒险，给了他底气，而这座城市，给了他信心。“不能‘吃老本’，回归一线，回归学术，为我们国家高水平科技自立自强发挥更大的作用。在深圳实实在‘学术再创业’的选择是正确的，在这里，能干出事来！”海平面上波光粼粼，望向远方的谢和平亦目光灼灼。
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