不用电解水，只需按下pH开关，太阳能就能变成氢气

本文来自微信公众号： 环球零碳 ，编辑：小澜，作者：环球零碳研究中心，原文标题：《不用电解水！只需按下pH开关，太阳能就能变成氢气》

在全球努力减少对化石燃料依赖的背景下，太阳能和风能等可再生能源正被广泛采用。

对于某些高能量密度需求的行业而言，氢能作为一种清洁、高效、应用场景广泛的二次能源也展现出巨大的潜力。尤其是可再生能源电解水制取的绿氢，为高能耗应用提供了一种无碳解决方案。

目前，已有多种技术可以将太阳能转化为化学能并储存起来。但现在，一种新型材料首次被成功研发出来，它可以储存太阳光能数天之久，然后只需“按下按钮”即可将其以氢气的形式释放出来。

这相当于把“光伏+储能+制氢”三个环节整合进一种材料体系。

近日，德国乌尔姆大学和耶拿大学的研究团队根据这种新型材料成功研发出一种创新型共聚物电池。该电池不仅能高效捕获并储存太阳能，还能按需释放出氢气。更妙的是，这个过程完全可逆，一个简单的“pH开关”就能让它恢复活力，反复使用。

充电时，这种共聚物电池在阳光照射下充电效率可达80%，能保持充电状态数天。放电时，通过添加酸和析氢催化剂，储存的电子与质子结合释放绿色氢气，释氢效率可高达72%，从而在这两个过程中均实现了高效率。

该共聚物体系具有可逆的氧化还原反应，因此放电后可以再次充电，支持多次循环使用。通过调节pH值可以重新激活电池并控制该电池的充放电过程，从而实现高效的能量转换和存储。

这些数据表明，该技术有望成为传统绿色氢气生产方式的替代方案，而目前传统的绿色氢气生产主要依赖于可再生电力驱动的电解过程制取。

这种方法的妙处在于，它将太阳能捕获、能量存储和氢气释放集成到单一的液体介质中——无需单独的光伏板、电解槽或笨重的压缩机。此外，它还避免了低温装置和高压储罐，从而可以制造模块化、可移动的“太阳能电池”舱，几乎可以安装在任何地方。

相关研究成果已于近日发表在《自然通讯》杂志上，标志着太阳能制氢长期储存技术的首次突破。论文通讯作者、乌尔姆大学无机化学研究所所长斯文·劳教授解释称：“你可以把它想象成分子层面的太阳能电池和氢燃料电池的结合体。”

图说：一种用于光催化按需析氢过程中存储和电子转换的水溶性共聚物

来源：自然通讯

通常情况下，利用光催化过程，可以通过太阳光制取绿色氢气。这种气体产生后，需要单独储存在储罐中，并在需要时进行处理。然而，由耶拿大学的乌尔里希·舒伯特和乌尔姆大学的斯文·劳领导的研究团队决定使用共聚物分子来提高绿色氢气的生产和储存效率。

共聚物是由不同有机结构单元组成的大分子。它们具有稳定的骨架结构，并且可以连接特定的功能单元。在这种新型共聚物电池中，研究人员使用了一种具有增强氧化还原活性的水溶性共聚物作为其主要功能单元。

当暴露于阳光下时，该系统的充电效率可达80%，对于水相光催化体系而言，这是一个很高的数值。更重要的是充满电后，可以维持充电状态数天，稳定性极佳。“需要时，我们可以以氢气的形式回收化学能。储存的电子可以高效地用于此目的，”乌尔里希·舒伯特教授说道。

为了回收能量，研究人员通过添加酸和析氢催化剂，使系统中储存的电子与质子混合，从而按需释放氢气。在这种情况下，系统释放氢气的效率高达令人惊叹的72%。

简单的说，这种所谓的分子太阳能电池并不像传统的锂离子电池那样储存电能，而是捕获可见光，并将这种能量转化为电子储存在水溶性大分子中，等到需要时可在数天后以氢气的形式释放出来。如果溶液随后被中和，系统即可再次暴露于光照下并重新充电。

图说：共聚物电池重复按需析氢的示意图以及析氢催化剂

来源：自然通讯

值得注意的是，这种基于共聚物的体系包含完全可逆的氧化还原反应。因此，当电池放电后，可以将其置于阳光下充电，从而实现多次催化和存储循环。为了重置系统，研究人员只需改变pH值即可。

在这种共聚物电池中，pH值实际上扮演着双重角色：它既是充放电的开关，也是电量状态的视觉指示器。

当电池在酸性溶液中放电时，颜色会从紫色变为黄色；如果随后用光照充电，黄色会变回紫色，电池再次“启动”，表明电池已准备好释放氢气，可用于各种应用，例如为电动汽车提供动力或产生清洁电力。

“这是因为基于聚合物的氧化还原反应是可逆的，能够实现多次充电、存储和催化循环。该工艺的优势在于无需事先分离聚合物。要重置系统，只需改变系统的pH值即可，”该研究的两位主要作者，乌尔姆大学的Marco Hartkorn和耶拿大学的Robin Kampes博士解释道。

“该项目也具有重要的科学意义，因为它融合了化学领域中原本鲜有交集的两个截然不同的概念：即高分子聚合物化学和光催化，”斯文·劳教授说道。

图说：可见光照射下的含有发光钌染料的催化剂溶液

来源：乌尔姆大学

此外，由于能量储存在聚合物的化学结构中，因此该过程可完全在黑暗中进行。这意味着这种共聚物太阳能电池可以按需制氢，而无需考虑制氢时是否有阳光。对于受气候变化影响的可再生能源系统而言，这一特性是一项重大进步。

研究人员坚信，这种所谓的“按需”制氢方法也可应用于高能耗工业流程，例如依赖可靠绿色氢气供应的气候中和型钢铁生产。

这种共聚物技术能够现场按需提供绿色氢气，从而平滑氢气供应的波动。早期的技术经济数据显示，与传统的光伏+电解槽方案相比，该技术可节省15%至20%的成本，尽管目前仍在进行全面的建模研究。

同时，这些分散式聚合物装置可以接入现有的氢气基础设施，甚至可以为远程作业供电，而无需花费巨资进行电网升级。通过将氢气生产分散到这些太阳能电池模块上，可以实现灵活的需求响应，缓解输电瓶颈，并加速零排放能源的推广。

“研究成果为经济高效、可扩展的太阳能存储技术开辟了新的前景，并为实现可持续的、以化学为基础的能源经济奠定了重要的基础，”乌尔里希·舒伯特教授强调说。

图说：用于光驱动制氢的光催化反应器，蓝色LED灯作为光源

来源：乌尔姆大学

尽管结果令人鼓舞，但这项技术仍处于实验阶段。该研究在实验室中验证了概念，但要过渡到工业应用，还需要进行进一步的测试。

主要挑战包括系统可扩展性、材料成本降低以及长期循环耐久性评估。为了使商业应用可行，可能需要用储量更丰富的替代元素来取代钌催化剂。

此外，还需要分析该系统在实际工况下（包括环境和运行条件的变化）的性能。即便如此，目前公布的数据——充电效率超过80%，制氢效率约为72%——表明该概念具有坚实的科学基础。

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参考材料：

[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/