科普：解耦法電解水制氫

一、解耦電解技術概述

傳統電解槽在單一反應裝置中同步進行析氫（HER）和析氧（OER）反應，僅依靠隔膜實現物理分離，這種設計存在顯著局限性：

氣體純度限制：電子工業所需超高純度氣體（>99.999%）難以直接制取

運行穩定性問題：低負荷及頻繁變載工況加速隔膜老化，增加氣體滲透風險

高壓運行挑戰：維持跨膜壓差需使用厚膜，導致電阻升高效率下降

受光合作用啟發（光反應產氧、暗反應利用質子梯度），新型解耦電解系統通過引入氧化還原介質實現氫氧反應分離（圖1）。該介質可截獲水氧化產生的電子，自身還原時通過質子平衡電荷。析氫反應可在獨立裝置中進行（圖2），從根本上解決傳統系統的純度、效率和安全性問題。

圖1：介導產氧

圖2：介導產氫

二、解耦反應機理

在解耦體系中，HER與氧化態介質（M?）的氧化耦合，OER則與還原態介質（M）的還原關聯。整體反應仍等效于水分解（2H?O→2H?+O?），介質以氧化還原液流電池或固態電池模式循環。系統輸入僅需水和電能，輸出為獨立收集的H?和O?。

介質特性直接影響系統性能：

可選用液態（如[Fe(CN)?]3?/??）或固態（NiOOH/Ni(OH)?）形式

標準電位E?(M?/?)位置決定運行模式：

a) 當E?介于H+/H?和O?/H?O之間時，總電壓需求分解為兩個非自發步驟

b) 超出該范圍時，首步需較高電壓但次步可自發進行（圖3）

圖3：解耦水分解系統的設想電流-電壓行為。(a) E0(M0/-)介于E0(H+ /H2)和E0(O2/H2O)之間，將水分解所需的熱力學電壓分為兩個非自發步驟。(b) E0(M0/-)不在E0(H+ /H2)到E0(O2/H2O)的范圍內。

三、系統架構分類

基于介質形態和能量需求，解耦系統可分為四大類型（圖4）：

液態介質雙非自發系統：采用液流電池式設計，需分離介質與產物

液態介質自發系統：搭配催化床實現無外源析氫

固態介質雙非自發系統：可切換電極配置的集成化設計

固態介質自發系統：模塊化組件組合實現高效運行

圖4：四種解耦水分解體系

四、技術優勢與挑戰

核心優勢：

突破傳統電解限制：實現無膜高壓制氫，氣體交叉風險降低95%（圖5）

材料革新：替代貴金屬催化劑（如使用富鐵催化劑達鉑基材料90%活性）

運行靈活性：適配波動性可再生能源，啟停響應時間縮短40%

系統安全性：爆炸風險較傳統電解降低2個數量級

圖5：傳統電解槽和sta介導電解槽溶液中氟化物濃度隨時間變化的比較。氟化物是Nafion分解的產物

現存挑戰：

系統復雜度增加：需集成儲能介質循環裝置（成本占比約25%）

介質穩定性問題：典型循環壽命<10,000次（較鋰電低1個量級）

能量密度限制：當前系統儲能密度約50Wh/kg（僅為鋰離子電池1/3）

五、應用前景

該技術在多個領域展現潛力：

分布式制氫：模塊化設計適配離網場景

光電催化集成：提升PEC系統穩定性（衰減率降低60%）

化工合成：拓展至CO?還原等增值反應（法拉第效率達85%）

儲能耦合：實現"電-氫-電"雙向轉換（綜合效率72%）

當前技術成熟度處于TRL4級，預計2030年有望實現商業化應用。未來突破方向包括開發高穩定性介質材料（目標循環>50,000次）、優化系統集成度（體積能量密度提升300%）、以及創新電極結構設計（過電位降低至50mV以下）。隨著材料科學和系統工程的雙重進步，解耦電解技術或將成為下一代綠氫制備的核心方案。