水形成-能量驱动的电化学过程调控

《Accounts of Chemical Research》：Water-Formation-Energy-Driven Electrochemical Process Modulation

水形成能量（WFE）通过电化学耦合机制重新捕获，突破传统非红ox过程限制，应用于脱盐纯化、氢能合成及化学品电化学合成，实现多能源协同与效率提升。

　　

概述

水通过H⁺/OH^–重组反应生成的过程，传统上被认为是一个电化学上不活跃的、非氧化还原反应。然而，从电化学的角度重新审视这一过程时，会发现其中蕴藏着巨大的潜力。最新研究表明，每年全球因此产生的能量接近160000万亿焦耳，这些能量在工业中和过程中常常被浪费掉。通过利用氢的氧化还原反应（尽管不涉及净氧化还原过程），可以在酸碱体系中实现能量的电化学捕获。这一范式的转变为电化学过程调控带来了独特的机遇和可能性，使得某些原本需要消耗大量能量的反应能够在常温常压下自发进行，超越了传统电化学能源设备的限制。在本文中，我们总结了近期在理解水生成能量（WFE）机制及其功能实现方面的概念性突破和实验进展，以及决定其效率的热力学和动力学因素。其中，氢的氧化还原反应的策略性应用至关重要——它使得WFE能够直接作为驱动力被捕获，从而催生出一类具有多功能性的原电池和电解装置。在WFE系统中引入温度梯度后，可以制成原电池-热原电池混合装置，利用熵增效应进一步提升装置的能量输出。基于WFE的原电池海水淡化技术能够在仅涉及气体和水分子的过程中实现盐分的去除，避免了对淡化过程的污染。WFE技术还能在室温常压下一步完成复杂杂质流中的氢燃料纯化和脱碳。此外，通过利用重水生成能量设计出的自发同位素水生成装置能够以轻氢为代价生成重氢。WFE技术还能在常温常压下对氢储存分子（如肼、脂肪族和芳香族醇以及生物质衍生物）进行改性。将其应用于锌电池中，可以实现高性能的能量存储，并结合按需进行电有机合成、过氧化物生产及清洁氢气的生成。在水系超级电容器中，WFE技术将电压窗口扩展至近2伏，突破了热力学限制，从而在不牺牲功率的情况下提升能量存储能力。同时，WFE技术还支持低电压下的电有机合成、高效率的光电化学水分解以及电解海水淡化，为下一代电解过程的调控提供了多样化的工具。本文指出，尽管WFE过程曾因其非氧化还原特性而被忽视，但它如今已成为一个丰富、可调节且可扩展的热力学平台。其电化学捕获机制不仅提高了电化学系统的效率和可持续性，还为能源科学开辟了新的方向，将这一原本被认为是惰性的过程转变为下一代电化学技术的核心。