在全球能源轉(zhuǎn)型的浪潮中，綠氫被視為實現(xiàn)碳中和的重要抓手。然而現(xiàn)實卻并不“綠色”——當(dāng)前綠氫成本仍高達4–6美元/kg，遠高于灰氫與藍氫。與此同時，優(yōu)質(zhì)可再生能源往往集中在沿海地區(qū)，但直接電解海水卻面臨氯離子腐蝕、析氯副反應(yīng)、沉淀堵塞等技術(shù)難題。更關(guān)鍵的是，電解水制氫需要大量淡水資源，而全球許多沿海地區(qū)本就淡水匱乏。如何同時解決“制氫成本高”和“淡水稀缺”這兩大挑戰(zhàn)，成為綠色能源體系落地的核心瓶頸。

近日，南洋理工大學(xué)徐梽川院士、Tianze Wu聯(lián)合萊斯大學(xué)汪淏田教授提出一種“自帶海水淡化功能”的多孔固體電解質(zhì)反應(yīng)器，實現(xiàn)了海水電解與海水淡化的深度耦合。在一個三腔雙極膜體系中，同步完成酸性析氫、堿性析氧與電滲析脫鹽，不僅實現(xiàn)近100%的耦合效率，還在真實海水條件下穩(wěn)定運行360小時。更令人驚喜的是——每生產(chǎn)1公斤氫氣，可同時得到約2.1噸符合飲用標(biāo)準(zhǔn)的淡水，為綠氫經(jīng)濟打開全新想象空間。相關(guān)成果以“Electrolysis with built-in seawater desalination by porous-solid-electrolyte reactor”為題發(fā)表在《Nature Sustainability》上，Tianze Wu和北方工業(yè)大學(xué)朱思遠副教授為共同第一作者。

從“水分解”到“鹽遷移”：三腔雙極膜的創(chuàng)新構(gòu)型

作者首先給出了整個裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計示意（圖1a）。與傳統(tǒng)BPM水電解不同，該系統(tǒng)在陽離子交換膜（CEM）與陰離子交換膜（AEM）之間，引入一個填充多孔固體電解質(zhì)（PSE）的中間腔室，用鹽水替代水解離過程。酸性電解液循環(huán)于陰極側(cè)，堿性電解液循環(huán)于陽極側(cè)，而海水則在中間腔體流動。在電場驅(qū)動下，Na?、Cl?等鹽離子跨膜遷移，建立電荷平衡，從而避免了傳統(tǒng)雙極膜中高能耗的水分解步驟。這一“以脫鹽替代水解離”的思路，使鹽遷移成為維持電流的主要載流方式，顯著降低能量損耗。圖1b進一步展示了經(jīng)濟模型分析：在傳統(tǒng)水電解條件下，即使優(yōu)化電壓，氫氣成本仍難降至1美元/kg目標(biāo)。但若將淡水收益計入系統(tǒng)，綜合成本有望顯著下降。在某些應(yīng)用情境下，甚至可以“以水補氫”，接近甚至低于美國能源部2030年目標(biāo)。環(huán)境層面同樣受益。圖1c的生命周期評估顯示，將電解與電滲析整合后，總碳排放由原本分離工藝的22.14 kg CO?e降至14.46 kg CO?e，實現(xiàn)資源與能量的協(xié)同優(yōu)化。

圖1：三腔雙極膜電解-脫鹽一體化裝置示意及其經(jīng)濟與環(huán)境優(yōu)勢分析。

電化學(xué)平衡的建立：酸性陰極的關(guān)鍵作用

在圖2a中，研究者比較了不同電解液配置下的極化曲線。結(jié)果顯示，采用“酸性陰極+堿性陽極”組合時，電流密度遠高于全堿性或中性配置。圖2b揭示了其機理：若陰極為KOH或K?SO?體系，K?在CEM處易發(fā)生濃差極化，導(dǎo)致離子傳輸受限。而在酸性環(huán)境下，H?的快速參與維持了電荷平衡，顯著緩解離子堆積，從而實現(xiàn)高動力學(xué)電流。更重要的是，圖2d中提出的“耦合因子”幾乎始終保持在100%。這意味著——脫鹽所消耗的電量幾乎全部來自電解本身，沒有額外能耗負擔(dān)，實現(xiàn)真正的能量協(xié)同。在多種鹽體系（NaCl、MgCl?、CaCl?等）測試中（圖2e），10小時后脫鹽率普遍超過95%，證明該策略具有普適性。

圖2：不同電解液配置下的電化學(xué)性能與近100%耦合效率驗證

多孔固體電解質(zhì)的核心作用

圖3a對比了有無PSE填充時的極化性能。加入PSE后，電流密度顯著提升。圖3b顯示，在恒壓1.8 V條件下，未加入PSE時電流劇烈波動；而加入PSE后，輸出穩(wěn)定平滑。其關(guān)鍵機制在圖3d與3e中得到解釋：傳統(tǒng)電滲析中，膜表面易出現(xiàn)濃差極化，導(dǎo)致電流震蕩。PSE在吸附陽離子后，充當(dāng)“離子緩沖庫”，緩解膜界面濃度梯度，從而維持穩(wěn)定的電化學(xué)平衡。在1升模擬海水條件下（圖3g），系統(tǒng)在100小時內(nèi)將鹽度降至938 ppm，滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)“邊制氫、邊產(chǎn)水”。

圖3：多孔固體電解質(zhì)緩解濃差極化機制及模擬海水脫鹽性能。

真實海水驗證：360小時穩(wěn)定運行

真正的挑戰(zhàn)在于真實海水環(huán)境。研究團隊在新加坡近海采集海水（原始TDS 24.1 g L?1），在1.8 V下連續(xù)運行三輪，每輪120小時（圖4a）。令人振奮的是，每次啟動電流幾乎無衰減，表明系統(tǒng)在360小時內(nèi)幾乎無性能下降。圖4b極化曲線對比亦證實裝置穩(wěn)定性。圖4c顯示，每輪運行結(jié)束后，1升真實海水鹽度均降至1000 ppm以下；小體積測試甚至可降至約100 ppm。對比圖4d可見，該系統(tǒng)脫鹽速率達到約5 mg min?1 cm?2 V?1，較傳統(tǒng)電滲析提升約一個數(shù)量級。圖4e進一步表明，在脫鹽度與最終鹽度雙指標(biāo)上，該系統(tǒng)遠優(yōu)于其他集成脫鹽技術(shù)，真正實現(xiàn)高質(zhì)量飲用水輸出。此外，研究還引入工業(yè)廢酸廢堿作為電解液來源，驗證系統(tǒng)在資源循環(huán)利用方面的可行性，為工業(yè)場景應(yīng)用提供現(xiàn)實路徑。

圖4：真實海水條件下360小時穩(wěn)定運行與脫鹽速率對比分析。

小結(jié)

這項工作首次將雙極膜電解與電滲析深度耦合，在同一裝置中同步實現(xiàn)海水制氫與高效淡化。通過建立穩(wěn)定的電化學(xué)平衡與多孔固體電解質(zhì)緩沖機制，實現(xiàn)近100%耦合效率，并在真實海水條件下驗證360小時穩(wěn)定運行。每生產(chǎn)1公斤氫氣，可獲得約2.1噸飲用水級淡水，這一“氫水共生”模式，為沿�？稍偕茉椿靥峁┝藰O具吸引力的系統(tǒng)解決方案。未來，該技術(shù)仍需在規(guī)�；�、場景匹配與成本優(yōu)化方面進一步推進。但可以預(yù)見，在具備可再生能源與工業(yè)廢酸堿資源的沿海區(qū)域，這種一體化裝置有望成為綠色氫能與淡水供應(yīng)的雙贏路徑。