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这篇Nature上的论文，破解半世纪难题！
【导读】
电解水制氢是氢能的一个重要来源，然而，淡水资源紧缺，海水成分复杂需要净化后再电解制氢，现在中国研究团队破解了海水直接电解制氢的难题，有望形成中国原创的“海洋绿氢”全球新兴战略产业。
谢和平院士与他指导的深圳大学 / 四川大学博士团队以深圳大学为第一单在《Nature》上发表了新研究成果，该研究首次从物理力学与电化学相结合的全新思路，建立了相变迁移驱动的海水无淡化原位直接电解制氢全新原理与技术，另辟蹊径，彻底隔绝海水离子同时实现了无淡化过程、无副反应、无额外能耗的高效海水原位直接电解制氢技术突破（即把海水当纯净水用，在海水里直接原位电解制氢），破解了海水直接电解制氢的难题。
绿色零碳氢能是未来能源发展的重要方向。随着氢能爆发式增长，预计到 2060 年，我国氢气年需求量将达 1.3 亿吨，届时每年需要消耗约 11.7 亿吨电解用纯水。然而，淡水资源紧缺将严重制约“绿氢”技术的发展。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（约 92 种化学元素）导致海水制氢面临诸多难题与挑战。先淡化后制氢是当前最成熟的海水制氢技术路径，目前已在全球多国开展规模化示范工程项目。但该类技术严重依赖大规模淡化设备，工艺流程复杂且占用大量土地资源，进一步推高了制氢成本与工程建设难度。上世纪 70 年代初有科学家提出，海水可否直接电解制氢呢？半个世纪以来，美国斯坦福大学、法国国家科学研究中心、澳大利亚阿德莱德大学、中国科学院等国内外知名研究团队通过催化剂工程、膜材料科学等手段进行了大量探索研究，旨在破解海水直接电解制氢面临的析氯副反应、钙镁沉淀、催化剂失活等难题。然而一直未有突破性的理论与原理彻底避免海水复杂组分对电解制氢的影响，可规模化的高效稳定海水直接电解制氢原理与技术仍是世界空白。
谢和平院士提出了从物理力学与电化学相结合的全新思路，破解海水直接电解制氢面临的难题与挑战，从而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。该成果通过将分子扩散、界面相平衡等物理力学过程与电化学反应巧妙结合，建立了相变迁移驱动的海水直接电解制氢理论模型，揭示了微米级气隙通路下界面压力差对海水自发相变传质的影响机制，形成了电化学反应协同海水迁移的动态自调节稳定电解制氢方法，破解了有害腐蚀性这一困扰海水电解制氢领域的半世纪难题，并且目前已申请专利。
与此同时，谢和平院士团队研制了全球首套 400L / h 海水原位直接电解制氢技术与装备，在深圳湾海水中连续运行超 3200 小时，令人信服的从海水中实现了稳定和规模化制氢过程。此外，该研究团队还进一步开发了酸性和碱性固态凝胶电解质，以表明相变迁移策略适配不同电解质材料，并有望伴随 PEM 和 AEM 电解技术迭代发展。据悉，该原理技术可探索推广到多元化水资源（如河水、废水、盐湖等）直接原位制氢，为资源富集浓缩与能源生产提供多效利用新思路。
该技术未来可构建与海上可再生能源相结合的一体化原位海水制氢工厂，有望成为深远海可再生电力大规模开发的破局关键，加速推进形成多能互补的中国原创“海洋绿氢”全球新兴战略产业。
《Nature》审稿人对该研究给予高度评价：“这项工作提供了一种有吸引力的策略，可以将非饮用水用于社会和生态中可持续燃料的生产，我认为这是一个重大突破！”
论文信息：
标题：A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation
出版信息：Nature，30 November 2022
DOI：10.1038/s41586-022-05379-5
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为了“扩展领土”，植物也要长距离“旅行”
【导读】
扩散（Dispersal）一直是生物地理学和生态学的一个核心研究议题。在植物界，种子的扩散往往需要借助媒介完成，并且大多是短距离扩散（local dispersal），仅有约1%的扩散是长距离扩散（long-distance dispersal, LDD）。然而，长距离扩散却是生物多样性格局形成的关键驱动力，对生态系统的维持和稳定有着重要影响，是制约植物种群和群落大规模动态变化的关键要素。种群间的基因流、空白生境的拓殖和集合群落的重组，这些生态过程都与长距离扩散密切相关。此外，长距离扩散也可能剧烈扰动植物的演化进程。例如，一些物种经长距离扩散后拓殖到新的生境成为入侵物种，严重影响当地的生态系统和社会经济。在当今全球环境变化影响下，植物经长距离扩散可形成新的物种分布样式，以适应气候和生境变化。与此同时，长距离扩散对碎片化景观中群体的维持也有重要作用。然而，以往的研究主要聚焦在扩散的动因、过程及媒介等方面，对扩散后植物在新的生境中如何拓殖关注甚少；而物种能否在新的生境中存活并建立种群是评价长距离扩散成功与否的重要标准，但其影响因素和形成机制尚不清楚。
中国科学院昆明植物研究所李德铢研究员领导的分子植物地理学研究团队长期开展植物系统学和生物地理学研究。近年来，研究团队以荨麻科为模型，运用多学科交叉的研究方法，整合分子系统学、生物地理学和种子生物学等学科证据，论证了荨麻科植物种子的跨洋长距离扩散机制（Wu et al., 2018, Ecology Letters, 21:1515-1529）。在紫麻属的研究中，发现该属植物起源于中国南方地区，经历过4次“大陆到岛屿”的长距离扩散事件形成现今的分布格局，显示东南亚地区植物区系具有多种迁入成分，为认识东南亚地区生物、地史和气候的协同演变提供了新的视角。
最近，该团队依托中国西南野生生物种质资源库，通过与中国科学院西双版纳热带植物园、以色列希伯来大学和英国爱丁堡大学合作，对种子长距离扩散后的拓殖机制开展了深入分析，总结出影响植物在新生境中成功拓殖的六个关键因素：（1）繁殖体压力；（2）功能性状；（3）极端事件和人为干扰；（4）捕食、竞争和共生；（5）生态位动态；（6）阿里效应。在此基础上，综合相关因素分析，提出了评估物种发生长距离扩散后在新生境中拓殖成功概率的数学模型，此模型整合谱系地理学和运动生态学的原理方法，通过计算源强度、扩散核、增补概率、以及有效种群的大小，可以估算物种经过长距离扩散后在新生境中拓殖成功的概率。该模型有望为长距离扩散后拓殖机制定量研究提供理论框架，也为评估物种入侵风险提供辅助手段。
最后，研究还总结了植物长距离扩散的研究方向和重点，提出了基于多学科交叉的整合研究范式：首先，整合运用生物地理学、谱系地理学和运动生态学，更加精确地还原长距离扩散事件的发生过程；其次，重点研究上述六个关键因素对植物长距离扩散后拓殖成败的影响程度及耦合关系，以确定关键制约要素；最后，通过地史时间尺度（百万年尺度）和短时间尺度（人类世以来）植物长距离扩散后拓殖机制的比较，为应对全球变化下生物入侵、生物多样性丧失等问题提出解决方案。
论文信息：
标题：The establishment of plants following long-distance dispersal
出版信息：Trends in Ecology & Evolution，28 November 2022
DOI：10.1016/j.tree.2022.11.003
转自：“科研之友 ScholarMate”微信公众号
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