探索高效、环保的新型水解制氢技术—欠电位电解

氢能被广泛认为将引领能源转型的浪潮。然而，目前制氢技术主要依赖于化石燃料重整，这并非真正意义上的清洁能源解决方案。随着科技进步和环保意识的提高，人们正致力于开发更为高效、环保的新型制氢技术。这些技术的创新和应用，将有助于满足全球不断增长的能源需求，同时显著降低对环境的负面影响。电解水制氢技术，以其清洁、可再生的特性，被广泛看好为绿色氢能领域的未来之星。这种技术通过将水分子分解为氢气和氧气，不仅避免了化石燃料燃烧产生的温室气体排放，而且能够利用可再生能源如风能、太阳能进行电力供应，实现真正的零排放，是真正意义上的绿色能源。但是，电解过程需要的电能必须高于水分解所需的理论电压，这意味着在实际操作中会消耗相对较多的电能。这一能源消耗导致电解水制氢的成本相对较高，成为制约其广泛应用的主要因素之一。如果能够降低水电解过程中的极化电压就可以显著降低电解水制氢的能耗。目前，众多学者和科研工作者正致力于这一领域的研究，他们通过创新材料、优化电解槽设计和探索新的电解技术，不断降低电解制氢的能耗。今天，我们就跟大家来一起探讨一种全新的低能耗电化学制氢技术：欠电位电解制氢技术。

欠电位电解池包含两个容性（多孔）电极或者一个容性（多孔）电极+催化电极，这里我们以两个容性电极为例进行示例说明。他的工作方式跟传统的电化学器件差异比较大，运行过程中包含两个步骤。步骤一：给容性电极充电，这个步骤中给容性电极施加的电压低于水的分解电压，所以水不会被分解成氢气也氧气；步骤二：将两个电极解耦分离、静置，这个阶段多孔的容性电极上表面吸附大量的荷电离子和溶剂水。静置过程中，溶剂不断增发，蒸发过程中多孔电极的有效容性表面积（固液界面双电层面积）也会不断减少，相应地，容性电极的电容也逐渐减少，但是电极表面吸附的电荷还是原来的电荷，所以溶剂蒸发的过程中，容性电极双电层两侧的电压会不断增加，直到某一时刻达到水的分解电位，水分子开始被还原产生氢气。这种工作模式将传统的电解水过程进行了解耦分离同时可以利用环境的低品质热源，从而大大降低了电能的消耗，使得在输入的电能低于电化学分解电能的情况下也能实现水的电化学电解，因此这种技术被称为欠电位电解技术。

针对这种全新的电化学器件，我们使用仿真的手段进行了模拟分析。如下是一个简化的概念器件结构。模型包含两个容性电极、空气域和电解质域。在仿真模型里面将充电过程、静置蒸发过程及电容升压过程等主要的物理过程耦合起来就可以分析器件工作过程的物理行为。

如下动图是溶剂蒸发过程及离子通路变化的模拟结果。可以看到随着水分的蒸发，电极跟溶液的接触面不断减少，同时离子通路也在不断向下压缩。

随着蒸发的进行，容性电极两端的电压也在不断的升高，逐步超过水的理论分解电压，表明蒸发过程中，可以实现水的电化学分解。

在模型里面设置局部电流检测，可以观察到在蒸发的前期，电极内电流等于0，后期电极内出现净电流，表明发生的水的电化学分解反应 。

物理过程的理论分析：静置蒸发过程中，随着双电层面积的减少，双电层内电场逐渐变强，驱使电极上的电子跟水中的氢离子结合生成氢气。

应用分析：这种新型的技术最大的优势就是节省电解电能，所以可以高效制氢，为了加快产氢速率还可以用光照或者辅助热源来加速电解。在制氢的同时还会吸收大量的热能用于溶剂的蒸发，所以还有可能用于供冷，比如分布式制氢+社区集中制冷。