中国青年学者联手，最新Nature大子刊：一边海水淡化，一边制氢！

在全球能源转型的浪潮中，绿氢被视为实现碳中和的重要抓手。然而现实却并不“绿色”——当前绿氢成本仍高达4–6美元/kg，远高于灰氢与蓝氢。与此同时，优质可再生能源往往集中在沿海地区，但直接电解海水却面临氯离子腐蚀、析氯副反应、沉淀堵塞等技术难题。更关键的是，电解水制氢需要大量淡水资源，而全球许多沿海地区本就淡水匮乏。如何同时解决“制氢成本高”和“淡水稀缺”这两大挑战，成为绿色能源体系落地的核心瓶颈。

近日，南洋理工大学徐梽川院士、Tianze Wu联合莱斯大学汪淏田教授提出一种“自带海水淡化功能”的多孔固体电解质反应器，实现了海水电解与海水淡化的深度耦合。在一个三腔双极膜体系中，同步完成酸性析氢、碱性析氧与电渗析脱盐，不仅实现近100%的耦合效率，还在真实海水条件下稳定运行360小时。更令人惊喜的是——每生产1公斤氢气，可同时得到约2.1吨符合饮用标准的淡水，为绿氢经济打开全新想象空间。相关成果以“Electrolysis with built-in seawater desalination by porous-solid-electrolyte reactor”为题发表在《Nature Sustainability》上，Tianze Wu和北方工业大学朱思远副教授为共同第一作者。

从“水分解”到“盐迁移”：三腔双极膜的创新构型

作者首先给出了整个装置的结构设计示意（图1a）。与传统BPM水电解不同，该系统在阳离子交换膜（CEM）与阴离子交换膜（AEM）之间，引入一个填充多孔固体电解质（PSE）的中间腔室，用盐水替代水解离过程。酸性电解液循环于阴极侧，碱性电解液循环于阳极侧，而海水则在中间腔体流动。在电场驱动下，Na⁺、Cl⁻等盐离子跨膜迁移，建立电荷平衡，从而避免了传统双极膜中高能耗的水分解步骤。这一“以脱盐替代水解离”的思路，使盐迁移成为维持电流的主要载流方式，显著降低能量损耗。图1b进一步展示了经济模型分析：在传统水电解条件下，即使优化电压，氢气成本仍难降至1美元/kg目标。但若将淡水收益计入系统，综合成本有望显著下降。在某些应用情境下，甚至可以“以水补氢”，接近甚至低于美国能源部2030年目标。环境层面同样受益。图1c的生命周期评估显示，将电解与电渗析整合后，总碳排放由原本分离工艺的22.14 kg CO₂e降至14.46 kg CO₂e，实现资源与能量的协同优化。

图1：三腔双极膜电解-脱盐一体化装置示意及其经济与环境优势分析。

电化学平衡的建立：酸性阴极的关键作用

在图2a中，研究者比较了不同电解液配置下的极化曲线。结果显示，采用“酸性阴极+碱性阳极”组合时，电流密度远高于全碱性或中性配置。图2b揭示了其机理：若阴极为KOH或K₂SO₄体系，K⁺在CEM处易发生浓差极化，导致离子传输受限。而在酸性环境下，H⁺的快速参与维持了电荷平衡，显著缓解离子堆积，从而实现高动力学电流。更重要的是，图2d中提出的“耦合因子”几乎始终保持在100%。这意味着——脱盐所消耗的电量几乎全部来自电解本身，没有额外能耗负担，实现真正的能量协同。在多种盐体系（NaCl、MgCl₂、CaCl₂等）测试中（图2e），10小时后脱盐率普遍超过95%，证明该策略具有普适性。

图2：不同电解液配置下的电化学性能与近100%耦合效率验证

多孔固体电解质的核心作用

图3a对比了有无PSE填充时的极化性能。加入PSE后，电流密度显著提升。图3b显示，在恒压1.8 V条件下，未加入PSE时电流剧烈波动；而加入PSE后，输出稳定平滑。其关键机制在图3d与3e中得到解释：传统电渗析中，膜表面易出现浓差极化，导致电流震荡。PSE在吸附阳离子后，充当“离子缓冲库”，缓解膜界面浓度梯度，从而维持稳定的电化学平衡。在1升模拟海水条件下（图3g），系统在100小时内将盐度降至938 ppm，满足饮用水标准，实现“边制氢、边产水”。

图3：多孔固体电解质缓解浓差极化机制及模拟海水脱盐性能。

真实海水验证：360小时稳定运行

真正的挑战在于真实海水环境。研究团队在新加坡近海采集海水（原始TDS 24.1 g L⁻¹），在1.8 V下连续运行三轮，每轮120小时（图4a）。令人振奋的是，每次启动电流几乎无衰减，表明系统在360小时内几乎无性能下降。图4b极化曲线对比亦证实装置稳定性。图4c显示，每轮运行结束后，1升真实海水盐度均降至1000 ppm以下；小体积测试甚至可降至约100 ppm。对比图4d可见，该系统脱盐速率达到约5 mg min⁻¹ cm⁻² V⁻¹，较传统电渗析提升约一个数量级。图4e进一步表明，在脱盐度与最终盐度双指标上，该系统远优于其他集成脱盐技术，真正实现高质量饮用水输出。此外，研究还引入工业废酸废碱作为电解液来源，验证系统在资源循环利用方面的可行性，为工业场景应用提供现实路径。

图4：真实海水条件下360小时稳定运行与脱盐速率对比分析。

小结

这项工作首次将双极膜电解与电渗析深度耦合，在同一装置中同步实现海水制氢与高效淡化。通过建立稳定的电化学平衡与多孔固体电解质缓冲机制，实现近100%耦合效率，并在真实海水条件下验证360小时稳定运行。每生产1公斤氢气，可获得约2.1吨饮用水级淡水，这一“氢水共生”模式，为沿海可再生能源基地提供了极具吸引力的系统解决方案。未来，该技术仍需在规模化、场景匹配与成本优化方面进一步推进。但可以预见，在具备可再生能源与工业废酸碱资源的沿海区域，这种一体化装置有望成为绿色氢能与淡水供应的双赢路径。