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Take Home Message
• 海水是製氫的豐富資源。但在研發上面臨腐蝕、各地海水成分不一致、成本過高等技術挑戰，因此目前還未能商業化。
• 筆者團隊開發出的高熵觸媒技術，可直接電解海水製氫，設備具高抗腐蝕性，若能結合離岸再生能源，有望推動規模化生產。
• 未來，臺灣海水製氫的發展將結合產學研力量，透過政府支持、研究創新及國際合作，推動綠氫商業化並銜接離岸再生能源應用。

隨著全球氣候變遷的加劇，實現淨零碳排已成為國際社會共同追求的重要目標。為此，除了需要逐漸提高碳捕存（carbon capture and storage, CCS）與再生能源的規模外，發展綠氫技術更是實現碳中和的重要途徑。氫能作為一種高效的清潔能源，具有燃燒過程中無廢氣、熱值良好、高能量密度、利用方式多樣化等特性。而透過再生能源發電，並將這些電力應用於電解海水產製綠氫更是具有極大潛力，對資源的豐富性、環境效益、副產品可回收利用等方面也具有優勢。然而，目前海水產氫的技術挑戰和高成本，是使它廣泛應用的主要障礙。為克服這些限制，近年來有許多專家在氫能領域中，不斷地研發高效且抗腐蝕的觸媒材料，同時探討電解質的選用與處理，期望能藉此提高海水產氫的效率，進而持續擴大氫能發展至工業級規模，以對接產業界的需求（圖一）。

 

圖一｜電解海水產氫工廠示意圖

為什麼要用海水製氫？

讀者可能會問，地球上的水資源種類這麼多，為什麼要特別選用海水製氫呢？直接利用海水的優勢在於，海水在地球上的比例是全球水資源的97％。若能利用含量豐富的海水，便可避免和淡水資源的競爭和消耗，對於缺水地區而言尤為重要。而在生態方面，以海水生產出的氫氣不會排放二氧化碳等溫室氣體，可減緩氣候變遷並符合永續發展的要求。

此外，海水含有許多複雜成分，在反應過程中可以產生鹽和其他化學品。例如氯氣、氫氧化鈉等副產品，就可以被回收利用而提升經濟效益；沿海國家和地區則可憑藉地理優勢，加以利用當地豐富的海水資源進行氫氣生產，減少依賴進口能源且提高能源自主性。近年來，離岸風電從過去的固定式走向浮體式發展，也增加了就地直接電解海水、轉換為氫能的必要性。

目前各國也有海水產氫的成功案例。像是美國史丹佛大學（Stanford University）、奧勒岡大學（University of Oregon）、美國能源部（United States Department of Energy）的SLAC國家加速器實驗室（SLAC National Accelerator Laboratory）， 以及英國曼徹斯特都會大學（Manchester Metropolitan University）的研究人員就共同研發出一種可以安全地從海水中提取氫氣的裝置（延伸閱讀3），而海水流經雙膜過濾系統後還能製造出相當於燃料的物質。藉由電力從海水中提取氫氣、雙膜分離出海水中的其他元素，將有助推動生產低碳燃料。另外，澳洲墨爾本皇家理工大學（Royal Melbourne Institute of Technology）則製備出用來處理海水的新型催化劑，不僅減少耗能還可以大量生產，不需要任何的海水淡化步驟即可電解海水產氫。

海水製氫的困難及現況

即便相關研究皆有所進展，但目前海水製氫的技術還處於研究和試驗階段、尚未規模化，要實現商業化應用仍需克服多方面的技術和經濟挑戰。像是海水中含有多種鹽類和雜質，直接電解海水可能與電極材料相互作用、產生競爭反應，進而影響電解過程的效率和穩定性，還會導致設備和材料的腐蝕問題，因此對技術和成本層面有較高的要求。此外，各地區的海水成分與濃度也不盡相同，即便是同一地區的海水也會受到季節與鄰近地區影響而造成差異，因此在電解質的使用或純化過程上就更加複雜。有許多學者對此感興趣，像是德國於利希研究中心（Jülich Research Centre）的科學家就非常重視電解質中微量元素的差異，認為這些不穩定物質的存在可能對系統造成負面影響，必須預防這些問題的發生，才能進一步提高製程的穩定性和材料壽命。

近年來，臺灣也有不少研究團隊為了突破海水產氫的困境，致力於改善材料的特性、提升整體系統的性能與規模，進行了許多具指標性的研究。

例如清華大學化學工程學系教授周鶴修團隊，利用冠狀醚（crown ether）捕捉海水產氫過程會造成影響的鈉離子，降低海水製氫的限制；中山大學化學系教授陳軍互團隊發表「鹼性電解海水製氫原型機」，可直接利用海水與一般水體進行水電解製氫。而筆者團隊則在海水電解製氫的領域中，開發出全球首創的技術和具高抗腐蝕性的高熵觸媒，製備出的材料在活性和穩定性上皆表現優異。

以高熵觸媒直接電解海水製氫

由於海水產氫的過程中可能會受到許多限制，例如海水前處理、設備損毀、觸媒脫落和溶出等（圖二）。為了解決此問題，筆者團隊開發出具有高抗腐蝕性的高熵觸媒，可直接電解海水產氫，大幅改善以海水作為原料所遇到的困難。

由於電解質可能會與電極材料發生反應，從而影響電解過程的效率和穩定性，因此在海水或富含鹽類的電解質進行電解催化反應時，陰、陽極材料的性能將與電解質成分息息相關。海水的組成成分複雜，且其中存在著具腐蝕性的氯離子（Cl⁻），不僅會在陽極中存在競爭反應而生成氯酸根離子（ClO₃⁻）或氯氣（Cl₂），更會直接降低氫氣的生產效率與純度，因此開發抗腐蝕性良好、高活性和高選擇性的觸媒材料就相當重要。筆者團隊透過高通量的製程方法，快速將六種活性金屬元素均勻地合成到各式基板材料上，且最終成功合成出能在海水中穩定催化超過 1000 小時的先進高熵觸媒材料（high entropy catalyst, HEC）。此材料同時具備高適用性、高效率等優點，解決了基板結構遭腐蝕和活性衰退的問題。

另外，此材料中各元素間的協同作用與電子耦合結構調節，不僅克服了陽極材料在海水中的效能與壽命問題，同時也利用過渡金屬取代傳統貴金屬材料來降低成本，創造極具經濟效益的關鍵材料。此外，藉由臨場分析（in-situ analysis）〔註〕還可以確立多種金屬在高熵結構中扮演的角色和功能，包含影響催化的活性位點、穩定結構的材料等。若能了解其中的反應機制，將有助於在未來研製出更多元且優異的高熵催化劑，進一步提升電解海水的效率。憑藉過往深耕於電催化產氫相關的收穫，團隊也持續拓展綠氫領域研究，像是量產高催化活性的陽極高熵觸媒粉末、陰極貴金屬材料，以及製備大面積的高熵電極材料。而在系統端也將所合成的高熵材料結合應用在膜水電解器和大型鹼槽中，致力開發出瓩（kW）級電池電堆，以逐步對接產業界的需求。

〔註〕臨場分析是指在反應發生的即時或運行過程中對化學或物理現象進行分析和量測的技術。在電解水產氫的研究中，臨場分析技術可以協助我們觀察催化反應過程中的表面結構、組成和催化性能的 ，從而獲取催化劑在工作條件下的動態行為數據。例如 X 射線吸收光譜（XAS）可以用來研究催化劑中的活性金屬位點，並且能夠提供關於氧化態變化和局部結構的訊息；化學掃描隧道顯微鏡（EC-STM）能夠在原子尺度上觀察電極表面的形態變化；拉曼光譜（Raman spectroscopy）可用來研究電解過程中的催化劑表面化學鍵的變化。

另一方面，往後也可將陰陽極兩端以高熵催化劑作為雙效觸媒，同時能夠在產氫和產氧端擁有出色的電化學表現，簡化整體系統並降低所需的材料成本。不僅如此，由於電解質的酸鹼度差異會嚴重影響材料的活性，開發受用全範圍 pH 值的催化劑也至關重要。筆者團隊在海水產氫方面所擁有的特殊技術已獲得兩項專利認證和技轉，並持續與產業密切合作，未來將建立海水製氫實驗的示範場域，希望能夠真正地實踐環境、社會和公司治理（environmental, social, and governance, ESG）的永續發展精神，為全球的淨零碳排共識開啟新篇章。氫能是未來不可或缺的潔淨能源，雖然改善電解海水產氫所面臨的問題遠不止這些，但筆者也期望能藉由團隊的綜合型研究在此領域有更多的突破，使臺灣在海水產氫技術上的發展與世界同步。

海水製氫的未來發展

值得期待的是，不管是在海水處理、優異的催化劑製備、量產規模、穩定性等方面，臺灣團隊目前皆有亮眼的表現。未來臺灣在海水產氫技術方面的進展，也反映了全球對於利用再生能源達成淨零碳排目標的趨勢。許多研究機構和大學也提供穩定的研發量能，像是臺灣大學、清華大學、中央大學、中央研究院等都在積極研發電解海水技術。這些機構不僅在基礎研究上取得突破，也持續地針對觸媒材料和電解系統上改善，以提高電解效率、穩定性和降低成本。

而政府更對氫能和再生能源技術的發展投入大量的資源，推出了一系列政策和資助計劃，鼓勵企業和中央機構在氫能技術的研究，包括海水電解領域進行研發和實驗，這些政策支持有助於加速技術的改良和商業化進程。產業界同樣積極參與海水產氫技術的研發與應用，並評估技術的可行性和經濟性。現階段也有能源公司和技術公司，正在探索結合海水電解與再生能源的綜合解決方案，期望推動氫能在工業和交通領域的應用。此外，臺灣也需要長期和國際接軌，銜接世界的先進技術與材料，並與日本、韓國、歐洲等國家的氫能技術研究機構建立合作關係，共同推動電解海水技術的進步和應用。透過政府的持續支持、研究機構的創新研發、產業界的積極參與，以及國際合作，臺灣正逐步推動海水電解產氫技術的商業化應用。

放眼未來，除了開發更成熟的海水製氫技術外，有效地利用更廣泛的再生能源也極其重要。由於將遠海產生的電力運輸回來再產氫並不符合成本效益，必須規模化發展離岸海域的複合式能源，再通過建置大量浮動式的波浪、太陽能、風力等複合式的海域能發電（圖三），才能增加發電量並直接就地電解製氫。如此一來可兼具產量與經濟效益，並將所生產的綠氫能源作為海運所需的燃料，或是轉換成氫的載體――氨（NH₃）之後再儲存利用。隨著技術的進步和成本的降低，海水產氫技術有望在臺灣的能源轉型和實現碳中和目標發揮重要作用。

延伸閱讀
1. 王信富、楊明修（2022 年 12 月 2 日）。氫能價格黃金交叉點將機會提前於2035年實現。財團法人金屬工業研究發展中心策略規劃與推動組，https://reurl.cc/7dvdQ5。
2. 氫的顏色－綠氫、藍氫、灰氫、褐氫怎麼區分？。能源教育資源總中心，https://reurl.cc/34l428。
3. Marin, D. H., et al. (2023). Hydrogen production with seawater-resilient bipolar membrane electrolyzers. Joule, 7(4), 765–781.