不用電解水！只需按下pH開關，太陽能就能變成氫氣

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環球零碳

碳中和領域的《新青年》

來源：AI生成

撰文：Penn

編輯：小瀾

→這是《環球零碳》的1910篇原創

在全球努力減少對化石燃料依賴的背景下，太陽能和風能等可再生能源正被廣泛采用。

對于某些高能量密度需求的行業而言，氫能作為一種清潔、高效、應用場景廣泛的二次能源也展現出巨大的潛力。尤其是可再生能源電解水制取的綠氫，為高能耗應用提供了一種無碳解決方案。

目前，已有多種技術可以將太陽能轉化為化學能并儲存起來。但現在，一種新型材料首次被成功研發出來，它可以儲存太陽光能數天之久，然后只需“按下按鈕”即可將其以氫氣的形式釋放出來。

這相當于把“光伏+儲能+制氫” 三個環節整合進一種材料體系。

近日，德國烏爾姆大學和耶拿大學的研究團隊根據這種新型材料成功研發出一種創新型共聚物電池。該電池不僅能高效捕獲并儲存太陽能，還能按需釋放出氫氣。更妙的是，這個過程完全可逆，一個簡單的“pH開關”就能讓它恢復活力，反復使用。

充電時，這種共聚物電池在陽光照射下充電效率可達80%，能保持充電狀態數天。放電時，通過添加酸和析氫催化劑，儲存的電子與質子結合釋放綠色氫氣，釋氫效率可高達72%，從而在這兩個過程中均實現了高效率。

該共聚物體系具有可逆的氧化還原反應，因此放電后可以再次充電，支持多次循環使用。通過調節pH值可以重新激活電池并控制該電池的充放電過程，從而實現高效的能量轉換和存儲。

這些數據表明，該技術有望成為傳統綠色氫氣生產方式的替代方案，而目前傳統的綠色氫氣生產主要依賴于可再生電力驅動的電解過程制取。

這種方法的妙處在于，它將太陽能捕獲、能量存儲和氫氣釋放集成到單一的液體介質中——無需單獨的光伏板、電解槽或笨重的壓縮機。此外，它還避免了低溫裝置和高壓儲罐，從而可以制造模塊化、可移動的“太陽能電池”艙，幾乎可以安裝在任何地方。

相關研究成果已于近日發表在《自然通訊》雜志上，標志著太陽能制氫長期儲存技術的首次突破。論文通訊作者、烏爾姆大學無機化學研究所所長斯文·勞教授解釋稱：“你可以把它想象成分子層面的太陽能電池和氫燃料電池的結合體。”

圖說：一種用于光催化按需析氫過程中存儲和電子轉換的水溶性共聚物

來源：自然通訊

通常情況下，利用光催化過程，可以通過太陽光制取綠色氫氣。這種氣體產生后，需要單獨儲存在儲罐中，并在需要時進行處理。然而，由耶拿大學的烏爾里希·舒伯特和烏爾姆大學的斯文·勞領導的研究團隊決定使用共聚物分子來提高綠色氫氣的生產和儲存效率。

共聚物是由不同有機結構單元組成的大分子。它們具有穩定的骨架結構，并且可以連接特定的功能單元。在這種新型共聚物電池中，研究人員使用了一種具有增強氧化還原活性的水溶性共聚物作為其主要功能單元。

當暴露于陽光下時，該系統的充電效率可達 80%，對于水相光催化體系而言，這是一個很高的數值。更重要的是充滿電后，可以維持充電狀態數天，穩定性極佳。“需要時，我們可以以氫氣的形式回收化學能。儲存的電子可以高效地用于此目的，” 烏爾里希·舒伯特教授說道。

為了回收能量，研究人員通過添加酸和析氫催化劑，使系統中儲存的電子與質子混合，從而按需釋放氫氣。在這種情況下，系統釋放氫氣的效率高達令人驚嘆的72%。

簡單的說，這種所謂的分子太陽能電池并不像傳統的鋰離子電池那樣儲存電能，而是捕獲可見光，并將這種能量轉化為電子儲存在水溶性大分子中，等到需要時可在數天后以氫氣的形式釋放出來。如果溶液隨后被中和，系統即可再次暴露于光照下并重新充電。

圖說：共聚物電池重復按需析氫的示意圖以及析氫催化劑

來源：自然通訊

值得注意的是，這種基于共聚物的體系包含完全可逆的氧化還原反應。因此，當電池放電后，可以將其置于陽光下充電，從而實現多次催化和存儲循環。為了重置系統，研究人員只需改變pH值即可。

在這種共聚物電池中，pH值實際上扮演著雙重角色：它既是充放電的開關，也是電量狀態的視覺指示器。

當電池在酸性溶液中放電時，顏色會從紫色變為黃色；如果隨后用光照充電，黃色會變回紫色，電池再次“啟動”，表明電池已準備好釋放氫氣，可用于各種應用，例如為電動汽車提供動力或產生清潔電力。

“這是因為基于聚合物的氧化還原反應是可逆的，能夠實現多次充電、存儲和催化循環。該工藝的優勢在于無需事先分離聚合物。要重置系統，只需改變系統的pH值即可，”該研究的兩位主要作者，烏爾姆大學的Marco Hartkorn和耶拿大學的Robin Kampes博士解釋道。

“該項目也具有重要的科學意義，因為它融合了化學領域中原本鮮有交集的兩個截然不同的概念：即高分子聚合物化學和光催化，”斯文·勞教授說道。

圖說：可見光照射下的含有發光釕染料的催化劑溶液

來源：烏爾姆大學

此外，由于能量儲存在聚合物的化學結構中，因此該過程可完全在黑暗中進行。這意味著這種共聚物太陽能電池可以按需制氫，而無需考慮制氫時是否有陽光。對于受氣候變化影響的可再生能源系統而言，這一特性是一項重大進步。

研究人員堅信，這種所謂的“按需”制氫方法也可應用于高能耗工業流程，例如依賴可靠綠色氫氣供應的氣候中和型鋼鐵生產。

這種共聚物技術能夠現場按需提供綠色氫氣，從而平滑氫氣供應的波動。早期的技術經濟數據顯示，與傳統的光伏+電解槽方案相比，該技術可節省15%至20%的成本，盡管目前仍在進行全面的建模研究。

同時，這些分散式聚合物裝置可以接入現有的氫氣基礎設施，甚至可以為遠程作業供電，而無需花費巨資進行電網升級。通過將氫氣生產分散到這些太陽能電池模塊上，可以實現靈活的需求響應，緩解輸電瓶頸，并加速零排放能源的推廣。

“研究成果為經濟高效、可擴展的太陽能存儲技術開辟了新的前景，并為實現可持續的、以化學為基礎的能源經濟奠定了重要的基礎，”烏爾里希·舒伯特教授強調說。

圖說：用于光驅動制氫的光催化反應器，藍色LED燈作為光源

來源：烏爾姆大學

盡管結果令人鼓舞，但這項技術仍處于實驗階段。該研究在實驗室中驗證了概念，但要過渡到工業應用，還需要進行進一步的測試。

主要挑戰包括系統可擴展性、材料成本降低以及長期循環耐久性評估。為了使商業應用可行，可能需要用儲量更豐富的替代元素來取代釕催化劑。

此外，還需要分析該系統在實際工況下（包括環境和運行條件的變化）的性能。即便如此，目前公布的數據——充電效率超過80%，制氫效率約為72%——表明該概念具有堅實的科學基礎。

參考材料：

[1]https://www.uni-ulm.de/en/university-news/news-details/article/copolymer-macht-zeitlich-flexible-energienutzung-moeglich/

[2]https://interestingengineering.com/energy/battery-recharges-using-sunlight-releases-hydrogen

[3]https://www.hydrogeninforms.com/news/copolymer-based-battery-releases-green-hydrogen-on-discharge/

[4]https://www.msn.com/en-us/news/insight/german-solar-battery-stores-sunlight-as-hydrogen/

[5]https://www.nature.com/articles/s41467-026-68342-2

[6]https://www.hydrogenfuelnews.com/hydrogen-storage-leap-solar-driven-copolymer-captures-and-releases-green-hydrogen-on-demand/8575119/

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