随着工业对电力需求的增长，电气化化工生产的高能源成本进一步引起人们的关注：最有效的氧演化耦合乙烯电合成系统每吨C2H4需要消耗>130 GJ的电力，并且在使用间歇性电力供电时，其稳定性限制在<10小时。
美国西北大学Edward H. Sargent院士、Xie Ke等人采用了一种能量更高的原料——从热气化中获得的合成气，构建了一个全气供系统，以避免腐蚀性电解质。研究发现了这种系统的一个关键挑战：当不存在碱性阳极电解质时，已知的固态电解质在活化CO到乙烯的转化中是无效的。因此，探索了一套候选离聚物，并评估了高离子交换容量与优化阳离子结合的协同设计，最终确定聚丙烯酸酯是一种高效的宿主，可以在1.2 V和100 mA cm-2（每吨C2H4消耗49 GJ电力）的固态系统中生产C2H4，在使用间歇性电力供电时稳定运行超过80小时，以及可经历30次启动/关闭循环。
相关工作以《A cation-functionalized layer for ethylene electrosynthesis via CO reduction paired with H2 oxidation in a pure-water-fed solid-state electrolyser》为题在《Nature Energy》上发表论文。
图1 典型的COR电解系统和固态系统原理图
首先探索并构建了一个加湿气体供气的固态系统（图1d）；然而，研究发现，在没有碱阳离子的情况下，主要产物是H2（FE>99%）。在这种纯水加湿系统中不存在碱阳离子，而这些阳离子在阴极催化剂表面起着核心作用，可以实现CO转化为C2H4，并产生局部碱性条件来抑制H2的析出。
图2 一种用于纯水供给条件的阳离子功能化层
图3 将阳离子功能化层集成到固态COR:HOR系统中
图4 间歇性供电下的稳定性
本文探索了一套离聚物作为固态阳离子功能化层，用于构建COR:HOR固态体系。研究发现了一种高效的碱阳离子宿主，聚丙烯酸酯，它结合了高离子交换能力和优化的阳离子结合。以聚丙烯酸钠作为阳离子功能化层，在COR:HOR固态系统中记录了1.2 V和100 mA cm-2的C2H4节能生产。这些机理研究和纯水供给型固态COR:HOR电解槽的性能为管理化学品生产中的电力需求和使这些技术兼容以适应对间歇性可再生电力日益增长的依赖提供了途径。
A cation-functionalized layer for ethylene electrosynthesis via CO reduction paired with H2 oxidation in a pure-water-fed solid-state electrolyser，Nature Energy，2026.
https://www.nature.com/articles/s41560-026-01990-2
在全球向可持续能源系统转型的过程中，绿色氢的部署在很大程度上依赖于具有成本效益的可再生能源。可再生能源丰富的地区通常都是沿海地区，尽管直接电解海水在技术上仍然具有挑战性。此外，淡水的稀缺给氢的生产带来了巨大的成本。
南洋理工大学徐梽川院士、邬天择，莱斯大学汪淏田教授等人介绍了一种在多孔固态电解质反应器中进行内置海水淡化的电解过程。双极膜三腔室协同酸性析氢反应、碱性析氧反应和电渗析脱盐过程。在电池中使用多孔固态电解质有助于实现可靠的电化学平衡，从而使电解和海水淡化的耦合系数约为100%，从而保持耦合电化学过程的高动态电流，从而降低能量损失。
对于海水电解，优化后的催化剂具有良好的抗阳极Cl-腐蚀性能，提高了器件的可靠性。在实际海水中长期运行的电池在360小时内的设备退化可以忽略不计。目前的系统每产生一公斤氢，就能产生大约2.1吨符合饮用水标准的淡水，从而为利用海水获得清洁水和绿色氢提供了一条可行的途径。
相关工作以《Electrolysis with built-in seawater desalination by porous-solid-electrolyte reactor》为题在《Nature Sustainability》上发表论文。
图1 BPM水电解池及其经济效益和环境效益
双极膜（BPM）单元中这两个流程的耦合通过解决每个流程中固有的限制提供了共同的好处。图1a展示了内置脱盐的三室BPM电解池的设计方案。在这种BPM设置中，海水淡化取代了AEM和CEM之间的腔室中的水解离，该腔室由多孔固态电解质（PSE）填充。在电解池内部，酸和碱分别在阴极和阳极中循环。酸性环境有助于避免阳离子以氢氧化物形式有害沉积，从而保持膜的耐久性。阳极的碱性介质允许使用不含贵金属的经济有效的电催化剂。此外，传统电渗析的浓度极化导致传质受限，离子交换膜周围离子浓度梯度导致非欧姆电压下降。在这种耦合酸性HER和碱性OER的设置中，盐离子通过膜运输，H+和OH-分别在阴极和阳极消耗（图1a）。离子在膜上的迁移与OH-和H+的耗尽建立了电荷平衡，从而使静电排斥最小化。
在图1b中，对于电解水制氢的成本，尽管较低的电压显著降低了成本，但其成本仍超过每公斤氢气4美元，远远低于美国能源部2030年的目标（每公斤氢气1美元）。然而，内置海水淡化，成本可以大大抵消海水淡化的收入。考虑到氢气生成和海水淡化的电荷平衡，当生产1 kg氢气时，大约1.612 t海水（典型盐浓度为0.62 M）将被完全淡化为淡水。据估计，淡水将产生每兆瓦时73.5至267.1美元的额外收入。图1b显示了八种情况下电解内置脱盐的总成本。在大多数情况下，内置海水淡化的电解提供了超越传统水电解的希望。如案例1、2、3和5所示，它有望将总成本降低到每公斤氢气1美元以下。
图2 电解耦合海水淡化反应器的电化学性能
图3 海水电解与海水淡化相结合
图4 应用于实际海水体系
本文成功演示了内置海水淡化的高效BPM海水电解。电解池的设计建立了有效的电化学平衡，将酸性HER、碱性OER和海水淡化耦合在一起。耦合系数大约为100%，表明能量损失很低。PSE通过减轻局部浓度极化，促进了可靠的平衡，从而保持了耦合电化学过程的高动力学电流，大大提高了内置的脱盐能力。本文成功地证明了该反应器在不同类型的盐水的应用，包括模拟和真实的海水。
对于海水电解，所研制的OER催化剂在海水中具有较强的抗阳极Cl-腐蚀活性。在一个实际的场景中，该电池在真实的海水中运行，在360小时内显示出可以忽略不计的降解。该装置每产生一公斤氢气，就能产生约2.1吨符合饮用水标准的淡水。内置海水淡化的高脱盐率和水回收率克服了传统电渗析海水淡化长期存在的局限性。这种集成技术为绿色制氢、海水淡化和工业废物增值提供了整体解决方案。
对于实际部署，还需要进一步考虑。海水、电力和酸碱废物的可用性和成本以及相关运输的成本可能因应用场景和地理位置而有很大差异。因此，这种综合办法并不打算作为一种普遍的解决办法；相反，它的有效实施可能依赖于特定于站点的优化，以最大限度地利用资源并最小化整个系统成本。因此，未来的工作应该集中在共同优化电催化工程，以实现更高的电流密度，并确定合适的应用场景，例如可再生电力和酸碱废物流共存的沿海或工业场所，在那里这种集成技术可以发挥其独特的优势。
Electrolysis with built-in seawater desalination by porous-solid-electrolyte reactor，Nature Sustainability，2026.
https://www.nature.com/articles/s41893-026-01772-4
