氢能兼具高能量密度、补给快速、清洁无碳排放等优势，是发展与实现低碳经济的终极能源之一。电解水是制造高纯“绿氢”的主要技术途径，但过高的能耗成本使其在短期内难以代替化石能源重整、工业副产气等传统“蓝氢”制造技术。近年来，研究者基于对水分解反应机理的不断深入认识，通过电催化剂设计与电解技术工艺的持续优化，显著降低了电解水制氢技术的能耗与成本，但这一技术仍难以摆脱对电能的高度依赖。
针对这一难题，精细化工国家重点实验室王治宇、邱介山教授在Angewandte Chemie International Edition发表题为“Hydrogen Production and Water Desalination with On-demand Electricity Output Enabled by Electrochemical Neutralization Chemistry”的研究论文，提出了一种新概念的电化学中和能电池，在无需外部电力输入的条件下，实现绿色氢能与电能的按需联产。此技术在利用酸碱中和反应化学能的同时，更可高效捕集环境中的低品位热能，并将二者直接转化为电能以驱动制氢反应或输出电能，热力学效率高达1.7，远优于常规燃料电池如氢氧燃料电池（0.83）或肼燃料电池（1.0）等。利用低Pt阴极与NiCo阳极构建的电化学中和能电池每制取1 m3 H2，可输出0.81 kWh电力。只需连接或断开外部负载，即可按需自由切换发电或产氢模式，无需停止电解池运行或改变电解池构造。产氢模式下，制氢速率最高可达70.1 mol h–1 m–2。在产氢或发电的同时，更可通过自发的离子交换过程实现高浓盐水快速淡化，脱盐速率高达56.1 mol h–1 m–2。进一步的基础技术经济分析表明：当使用工业酸碱废水、卤水等低品位水体作为原料时，此技术的制氢成本比可再生能源驱动的碱性电解水技术可降低70 – 80%，同时高效降解工业污染废水。这一工作为发展低能耗、低排放、高生态可持续性的绿色制氢技术方法提供了新的思路。
图1 (a)电化学中和能电池的构造示意图；(b) 电化学中和能电池与常规电解水技术的制氢能耗比较；(c) 电化学中和能电池为智能手机充电；(d) 电化学中和能电池技术与传统技术的制氢能耗与碳排放比较；(e) 本技术的基础技术经济分析。
上述工作近期发表在化学领域一流国际学术期刊Angewandte Chemie International Edition（2022, DOI: 10.1002/anie.202203929），论文第一作者为精细化工国家重点实验室、化工学院博士生孙富。工作得到了国家自然科学基金会、辽宁省科技厅、大连市科技局、大连理工大学的共同资助支持。
文献详情：
Fu Sun, Dongtong He, Kaizhou Yang, Jieshan Qiu, and Zhiyu Wang*. Hydrogen Production and Water Desalination with On-demand Electricity Output Enabled by Electrochemical Neutralization Chemistry, Angewandte Chemie International Edition, 2022, DOI: 10.1002/anie.202203929
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202203929