电解水制氢作为一种清洁能源生产方法，尽管具有巨大潜力，但目前面临的主要问题之一是依赖于使用离子膜或镀孔膜进行气体分离。这些隔膜的使用不仅增加了整体成本，由于它们的高成本和难以获得性，还影响了能效，由于隔膜的内阻增加了系统的能耗。
此外，隔膜的稳定性不足，在功率变化时无法保证系统的稳定运行，易受活性氧影响而降解，这些问题均大大缩短了隔膜的使用寿命，导致系统故障率增加。
针对这些问题，解耦水分解技术和耦合氧化技术提供了一种新的解决方案，能够在不依赖于隔膜的情况下实现气体分离，从而降低了成本并提高了系统的稳定性和效率。
一、概念
1.解耦水分解技术 其核心目标是通过分时间或分空间的方式电解水，从而分别制备氢气（H₂）和氧气（O₂）。这种技术的主要优势在于它实现了无膜化电解，增强了电解制氢的灵活性，并允许可再生能源直接用于电解制氢，提高了整个过程的效率和安全性。
2.耦合氧化策略 该策略通过选择热力学上更易于进行的其他小分子电氧化反应来代替传统的缓慢阳极氧气释放反应（OER），与阴极的氢气释放反应（HER）相结合，从而实现高效节能的制氢过程。这种方法不仅可以降低所需的电压，提高整体效率，还能通过电氧化某些有机小分子（如甲醇）产生比原料更有价值的化学品（如乙二醇），在制氢的同时实现经济价值的增加。
3.技术优势：
相比于传统的电催化水分解方法，这种新型电解技术和策略具有显著的优势，包括有效降低体系所需的电压、避免了易爆炸的混合气体H₂/O₂的生成，消除了潜在的安全风险。
通过初步的经济性计算，解耦水分解技术有潜力将制氢成本降低至13元每公斤，展现了其在可持续能源领域应用的巨大潜力和经济效益。
耦合氧化策略相对于解耦水分解来说，实现起来可能更简单，因为它只需在现有的碱液中加入特定的小分子即可。而解耦水分解技术需要考虑多个标准来选择合适的解耦剂，例如电极和电解质间的可逆转移能力，以及产气循环的耐久性，这些标准类似于选择电池电极的过程。
二、解耦水分解技术优点
1.解耦水分解技术不仅能够降低成本，还具有高效节能的优点。它能将能量转化效率从75%提升至98.7%，并且增加单位能量产生的氢气量达30%，进而能够减少运营成本，节省30%到50%的费用。尽管面临一定的挑战和难度，这种技术由于其明显的优势，成为了降低制氢成本的首选方案。
2.解耦水分解技术的优点包括较低的能源成本，可以通过使用易于氧化的小分子或有机小分子来进一步降低成本。若这些反应产物具有更高的经济价值，则可获得更好的效果。
3.该技术具有更高的安全性，因为它避免了氢气和氧气同时产生，从而减少了氢氧混合爆炸的风险。
4.其结构简单，不需改变现有碱性水电解槽的结构，仅需将隔膜替换为电阻更低的多孔膜，如聚丙烯网格，以避免氢正负极直接接触。然而，选择合适的小分子作为反应物具有一定难度。已有研究尝试了如乙醇氧化成乙酸、乙醛、乙酸乙酯，以及苯甲醇氧化成苯甲酸等反应，但需考虑经济性，例如乙醇氧化成乙酸在经济上不可行，因为乙醇的价格高于乙酸。
当前研究中，将甲醇氧化成乙二醇被认为具有较高的经济价值，因为甲醇的价格约为2600元/吨，而乙二醇的价格为4100元/吨。基于这种价格差，可以将氢气的价格设定为13元/公斤。然而，挑战在于如何选择并优化催化剂，以实现甲醇向乙二醇转化的选择性超过80%，以及如何有效分离产物，这些是研究中的难点。
三、 耦合氧化策略优点
1.所需的能源成本更低。还原性有机物比水更容易发生氧化反应，所以整个电解池的阳极所需的 工作电位比传统电解水的工作电位低得多，促进阴极析氢反应的快速进行。
2.副产物可以产生更多的经济价值。氧气作为大气中含量第二的组分，其制备获取有着多种不同 的低成本途径，电解水系统阳极所获得的氧气并不具有经济效益。而制氢同时，其阳极上的有机底物则会 被氧化成其他的可能具有较高附加值的产品，经济上更具优势。
3.耦合氧化策略反应的安全性更高。和传统的电解水反应相比，这种新型反应不产生O2，避免了 阴极气态产物H2所面临的污染问题，也能消除可能发生的爆炸的危险。
4.电解池的结构较为简单。基于上述产物不含有氧气等氧化气体的特点，电解池不需要隔膜分离 阴阳两极产物，可以进一步压缩成本。
传统的电解水制氢的工作原理是基于阴极析氢反应(HER) 和阳极析氧反应(OER) ，离子交换膜(或多孔膜) 则需要用来分隔两极，避免氢/氧混合。电解水制氢的速率和能耗受 HER、OER 的动力学过程、过电势和膜阻的限制，表现出高能耗的缺点，限制了其规模化应用。
END
