光电化学分解水制氢是清洁能源热门研究方向之一，该技术利用半导体材料吸收太阳光，在催化剂作用下直接分解水，得到氢气和氧气。近年来该技术的能量转化效率显著提高，但与化石燃料制氢相比，该技术在经济上仍不具有竞争力。
资料显示，光电化学分解水制氢生产的单位制氢成本 (LCOH) 约为10美元/kg H2，比蒸汽甲烷重整制氢（~1.5美元/kg H2）高出约一个数量级。在能源需求方面，大型PEC设施需要高达214 MJ/kg H2，这比耦合风力涡轮机和电解槽所需的能量（9.1MJ/kg H2）高出20倍以上，超过了能量含量氢本身的（120MJ/kg H2，基于较低的热值）。
基于此，近日，德国一个研究团队表示，在光电化学分解水制氢过程中同时利用氢气生产高附加值的化学品，可以提高产出价值，增强该技术在经济上的可行性。该项工作以“Life cycle net energy assessment of sustainable H2 production and hydrogenation of chemicals in a coupled photoelectrochemical device”为题发表在期刊《Nature Communications》上。
DOI：10.1038/s41467-023-36574-1
在该项工作中，德国亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心（HZB）等机构研究人员建立了一个模型，在光电化学分解水制氢的反应装置里同时用生成的氢气将衣康酸转化为甲基丁二酸。
图a 本研究中考虑的耦合光电化学装置的示意图，其中衣康酸 (IA) 氢化和氢化为甲基琥珀酸 (MSA) 发生在阴极电解液室中。
图b 耦合光电化学装置的简化工艺流程图，用于制氢和将IA加氢为 MSA，从原材料提取开始到报废处理。虚线表示系统边界。
研究人员详细计算了生产过程的能量消耗和产出，结果显示，只需将反应生成的很少一部分氢气用于化学品生产，就能大幅缩短能量回收期。
能量回收期是指一套生产系统需要多长时间收回它整个寿命周期内的能量成本。研究人员以一种当前研究较多的光电化学分解水制氢方案为基础计算发现，假设太阳能转化为氢的效率是5%，在这种情况下如果只生产氢气，能量回收期为17年；如果将2%的氢气用于转化衣康酸，就能把能量回收期缩短一半；使用30%的氢气与衣康酸反应，则能在两年内收回全部能量投入。
研究人员表示，这种将两套反应耦合起来的生产系统较为灵活，可以调整用于生产其他化学品。他们下一步将在实验室中验证该系统的表现。
总的来说，该项工作提出的耦合加氢概念提供了一种有效的方法来提高光电化学水分解的可行性，同时使有价值的化学生产脱碳，为提高光电化学分解水制氢技术经济性提供了新的思路。
