解耦水电解！为工业规模的绿色制氢铺平道路

《自然评论清洁技术》（Nature Reviews Clean Technology）最近的一篇综述首次提出了扩大解耦水电解（DWE）技术以生产工业规模绿色氢的途径。

氢是一种关键的化学原料，通常由化石燃料产生，产生大量的二氧化碳排放。由可再生能源驱动的水电解释放的是氧气而不是二氧化碳，提供了一种清洁的替代方案。工业规模的绿色氢生产是能源转型的圣杯之一，因为它将释放出取代世界对化石燃料依赖的潜力。

传统的电解使用由膜隔开的两个电极将水分解成氢和氧。这种方法价格昂贵，有内部氢气泄漏的问题，而且与间歇性的太阳能和风能不相容。

解耦水电解（DWE）通过在时间或空间上分离氢气和氧气的生产来克服这些问题，从而消除了对膜的需求。相反，它使用氧化还原材料，可以吸收和释放产生氧或氢的离子。

本文回顾了不同的DWE方法，并首次提出了可行的扩大途径。作者包括来自世界各地的顶尖专家：以色列理工大学材料科学与工程学院的Avner Rothschild教授、格拉斯哥大学的Mark D. Symes教授、丹麦技术大学的Jens Oluf Jensen教授、德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所ISE的Tom Smolinka博士、H2Pro公司的Rotem Arad和Gilad Yogev博士、以色列理工大学博士后Dr. Guilin Ruan和格拉斯哥大学的博士生Fiona Todman。

2013年，格拉斯哥大学的Mark Symes教授和他的合作者率先使用溶液相氧化还原介质实现了解耦电解。他一直致力于使用各种液体系统进行解耦电解，并通过Clyde Hydrogen systems公司积极尝试将这项技术商业化。

2015年，Avner Rothschild教授与以色列理工学院的同事Gideon Grader教授、Hen Dotan博士和Avigail Landman博士共同开创了一项使用镍基氧化还原电极的新技术。他们的突破促使H2Pro在2019年成立。

Jens Oluf Jensen教授和Tom Smolinka博士是世界知名的电解槽技术专家。他们在质子交换膜（PEM）、阴离子交换膜（AEM）、电极材料方面的工作，以及他们在大容量PEM和AEM电解槽电池堆中的应用，为商业电解槽的放大和运行挑战提供了有价值的见解，并为比较破坏性解耦和无膜电解槽概念奠定了良好的基础。Rotem Arad和Gilad Yogev提供了将这些概念转化为大规模绿色制氢技术的见解。

本综述首次详细介绍了DWE的可行扩大战略。虽然实验室规模的DWE实验每天产生的氢还不到1克，但工业系统每天必须产生大约1吨——比这多100万倍。

事实上，要满足目前的氢需求，需要大约一百万个完整的电解槽。另一方面，传统的工业电解槽需要稳定的电网供应，只能在有限的范围内使用，如太阳能和风能引起的高度动态的功率波动。

DWE的独特优势在于其通过氧化还原材料储存能量的能力，就像内置电池的电解槽一样。这使得它可以缓冲来自可再生能源的能量波动，使其与太阳能和风能系统高度兼容，从而为低成本、绿色可再生氢生产提供了一条关键途径。

扩大绿色氢气生产的潜在影响是巨大的。目前，氢市场每年的价值约为2500亿美元。一旦达到工业规模，绿色氢的市场预计将在十年内达到5500亿美元。

Rothschild教授预测说：“绿色氢预计将占未来能源市场的10%。一旦大规模生产绿色氢并以合理的价格出售成为可能，氢将取代工业、重型运输和其他行业使用的大部分能源。传统的电解槽应该进化以适应这个市场，正如达尔文所指出的，它不是最强大的物种，而是最能够适应和调整它所处的不断变化的环境的物种。我相信DWE就是如此。”

Symes教授阐述道：“解耦电解只有大约12年的历史。更传统的技术，如碱性和质子交换膜细胞，已经发展了几十年。这为开始出现的一些新的解耦系统的扩展速度提供了一些背景。按照目前的发展轨迹，我预计未来十年，解耦电解系统将成为传统电解槽的有力竞争对手，特别是在将可再生能源转化为绿色氢方面。”

该评论文章中提出的新想法令人信服，并阐明了扩大DWE技术以造福全人类的长期前景。