The Innovation Energy | 水向氢转化的热力学新见解
The Innovation Energy | 水向氢转化的热力学新见解
在“双碳”战略背景下，氢能作为清洁低碳能源的重要组成部分，其高效制备技术备受关注。本文从热力学角度出发，深入探讨了水分解制氢过程中的能量转化机制，提出了统一的热力学准则，并预测了不同波长光谱能量驱动的水分解极限转化率，为实现低温、高效制氢提供了新的理论依据。
“双碳”战略下，大力发展氢能等清洁低碳能源具有重要意义。作为理想氢源，水可以通过热、电以及光等不同化学转化路径制氢。探索不同类型能量转化为氢化学能的过程和机制，是实现高效制氢的基础。本文从一种新的热力学视角认知水到氢的转化过程，以期为降低热化学分解水制氢温度，提高水-氢转化率提供新思路，为发展低温、高效制氢方法带来新的启示。
导 读
水分解制氢是一种可以利用热能、电能或光能把水转换成氢气的技术。虽然人们已经对使用这些能源来分解水做了很多研究，但还没有一个统一的理论来解释不同类型的能量是如何转换成氢化学能的。本文基于全新的热力学视角，揭示了热、电以及光能驱动的水-氢转化机理，阐明了电能、化学能以及光能参与的热化学分解水制氢降温机制。提出了突破化学平衡，实现高转化率的普适性方法，预测了不同波长光谱能量驱动分解水制氢的转化极限。
图1 图文摘要
水分解制氢可以利用热、电以及光等不同类型能量驱动，如热驱动的热化学分解水、电驱动的电化学分解水以及光诱导的光化学分解水。由于不同类型的能量都可以作为分解水制氢的驱动源，故实现水到氢的转化与所采用的驱动能源的类型无关。并且，可能存在统一的标准或判据，当一种类型能量满足该标准，即可驱动水分解反应产生氢。在上述猜想的驱使下，本文从水分解过程的能量以及最大作功能力（㶲）转化两方面进行分析，建立了水分解反应转化的统一热力学准则，揭示了热、电以及光能驱动的水-氢转化本质，阐明了电能、化学能以及光能参与的热化学分解水制氢降温机制。在此基础上，本文进一步提出了突破化学平衡进而实现高转化率的普适性方法，预测了不同波长光谱能量驱动的分解水制氢极限转化率。
对于热驱动的热化学分解水，由于高品位氢能的最大作功能力（燃料㶲）较大，分解水制氢所需要的热同样需要具有较高的作功能力（热㶲），才能实现热向氢的对应转化。单位热能所具有的热㶲利用卡诺效率表征，反映为温度的高低。因此，热化学分解水制氢需要高温热能进行驱动。
对于电或电、热耦合驱动的水分解，由于高品位的电能具有的作功能力较高，无需或仅需提供少量热㶲即可满足氢能所携带的燃料㶲，故电解水可在常温或者较低温度条件下进行。
对于燃料化学能与热耦合分解水制氢，如甲烷蒸汽重整反应，高品位的甲烷化学能携带的燃料㶲满足了大部分制氢需求，尚未满足的少量氢燃料㶲通过提供热㶲进行满足。由于补充的热㶲远小于单独热能驱动的热化学分解水过程，故反应温度得以降低。
对于光、热耦合驱动的水分解，太阳光谱能量具有较高的最大作功能力，光能的加入可以降低水分解反应的热㶲输入，从而降低所提供热能的卡诺效率，进而降低水分解制氢温度。
此外，通过将特定能量驱动下的最大作功能力输入与不同反应进程相关联，本文提出了一种新的平衡转化率计算方法，并将其应用于光热耦合分解水制氢过程，预测了不同波长太阳光谱能量驱动的水分解极限转化率。
总结与展望
本文从新的热力学视角对水分解制氢的能量转化过程和机理进行了深入研究。结果表明，伴随能量输入的最大作功能力的转化影响水分解反应的温度及其转化进程。提供高品位或携带较高作功能力的能量驱动水分解反应，有利于反应温度的降低以及转化率的提升。
本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Energy第1卷第1期以Article发表的“Insights of water-to-hydrogen conversion from thermodynamics” (投稿: 2023-10-22；接收: 2023-12-06；在线刊出: 2024-01-29)。
DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-energy.2024.100004
引用格式：Jiao F., Chen C., Liu T., et al., (2024). Insights of water-to-hydrogen conversion from thermodynamics. The Innovation Energy 1(1), 100004.
作者简介
焦 钒，中国科学院工程热物理研究所，助理研究员，主要从事太阳能热化学制氢理论与方法研究。发表国内外期刊论文10篇，申请/授权国家发明专利16项。
刘启斌，中国科学院工程热物理研究所，研究员，国家杰出青年基金获得者，长期从事能源高效低碳转化理论与方法研究。获中国专利优秀奖、中国工程热物理学会“吴仲华优秀青年学者奖”、中国科学院卓越青年科学家及卢嘉锡青年人才奖。任长时规模储能全国重点实验室（筹）主任，中国工程热物理学会副秘书长、理事，中国科协航空发动机联合体副秘书长等，发表论文140余篇，申请/授权国际国内发明专利50余项。
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