中國青年學者聯手，最新Nature大子刊：一邊海水淡化，一邊制氫！

在全球能源轉型的浪潮中，綠氫被視為實現碳中和的重要抓手。然而現實卻并不“綠色”——當前綠氫成本仍高達4–6美元/kg，遠高于灰氫與藍氫。與此同時，優質可再生能源往往集中在沿海地區，但直接電解海水卻面臨氯離子腐蝕、析氯副反應、沉淀堵塞等技術難題。更關鍵的是，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，成為綠色能源體系落地的核心瓶頸。

近日，南洋理工大學徐梽川院士、Tianze Wu聯合萊斯大學汪淏田教授提出一種“自帶海水淡化功能”的多孔固體電解質反應器，實現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，不僅實現近100%的耦合效率，還在真實海水條件下穩定運行360小時。更令人驚喜的是——每生產1公斤氫氣，可同時得到約2.1噸符合飲用標準的淡水，為綠氫經濟打開全新想象空間。相關成果以“Electrolysis with built-in seawater desalination by porous-solid-electrolyte reactor”為題發表在《Nature Sustainability》上，Tianze Wu和北方工業大學朱思遠副教授為共同第一作者。

從“水分解”到“鹽遷移”：三腔雙極膜的創新構型

作者首先給出了整個裝置的結構設計示意（圖1a）。與傳統BPM水電解不同，該系統在陽離子交換膜（CEM）與陰離子交換膜（AEM）之間，引入一個填充多孔固體電解質（PSE）的中間腔室，用鹽水替代水解離過程。酸性電解液循環于陰極側，堿性電解液循環于陽極側，而海水則在中間腔體流動。在電場驅動下，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進一步展示了經濟模型分析：在傳統水電解條件下，即使優化電壓，氫氣成本仍難降至1美元/kg目標。但若將淡水收益計入系統，綜合成本有望顯著下降。在某些應用情境下，甚至可以“以水補氫”，接近甚至低于美國能源部2030年目標。環境層面同樣受益。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，實現資源與能量的協同優化。

圖1：三腔雙極膜電解-脫鹽一體化裝置示意及其經濟與環境優勢分析。

電化學平衡的建立：酸性陰極的關鍵作用

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處易發生濃差極化，導致離子傳輸受限。而在酸性環境下，H?的快速參與維持了電荷平衡，顯著緩解離子堆積，從而實現高動力學電流。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，實現真正的能量協同。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性能與近100%耦合效率驗證

多孔固體電解質的核心作用

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，輸出穩定平滑。其關鍵機制在圖3d與3e中得到解釋：傳統電滲析中，膜表面易出現濃差極化，導致電流震蕩。PSE在吸附陽離子后，充當“離子緩沖庫”，緩解膜界面濃度梯度，從而維持穩定的電化學平衡。在1升模擬海水條件下（圖3g），系統在100小時內將鹽度降至938 ppm，滿足飲用水標準，實現“邊制氫、邊產水”。

圖3：多孔固體電解質緩解濃差極化機制及模擬海水脫鹽性能。

真實海水驗證：360小時穩定運行

真正的挑戰在于真實海水環境。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，表明系統在360小時內幾乎無性能下降。圖4b極化曲線對比亦證實裝置穩定性。圖4c顯示，每輪運行結束后，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，該系統脫鹽速率達到約5 mg min?1 cm?2 V?1，較傳統電滲析提升約一個數量級。圖4e進一步表明，在脫鹽度與最終鹽度雙指標上，該系統遠優于其他集成脫鹽技術，真正實現高質量飲用水輸出。此外，研究還引入工業廢酸廢堿作為電解液來源，驗證系統在資源循環利用方面的可行性，為工業場景應用提供現實路徑。

圖4：真實海水條件下360小時穩定運行與脫鹽速率對比分析。

小結

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海水制氫與高效淡化。通過建立穩定的電化學平衡與多孔固體電解質緩沖機制，實現近100%耦合效率，并在真實海水條件下驗證360小時穩定運行。每生產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，為沿海可再生能源基地提供了極具吸引力的系統解決方案。未來，該技術仍需在規模化、場景匹配與成本優化方面進一步推進。但可以預見，在具備可再生能源與工業廢酸堿資源的沿海區域，這種一體化裝置有望成為綠色氫能與淡水供應的雙贏路徑。