研 究 背 景

發展氫能經濟是我國向可再生零碳能源結構轉型，實現“碳達峰、碳中和”目標的有效探索。電解水制備氫氣具有綠色、高效、純度高等特點，能夠實現化石燃料的完美替代，并且氫氣燃燒的終產物為高純淡水，可實現資源的有效循環利用。但現有的電解制氫體系存在兩個亟需解決的問題：

1）幾乎所有的體系都使用淡水資源作為電解液，這無疑加劇了淡水資源短缺問題；

2）能耗巨大，成本超過4美元每公斤。這導致電解水制氫僅占全球氫氣產量的4%。

文 章 簡 介

該研究利用納米發電機（TENG）收集環境中的風能轉化為電能，有效降低用電成本；開發的NiCoP-MOF新型電極提高了電解制氫性能及穩定性，不僅可以直接利用天然海水為電解液，破解水資源短缺的瓶頸，而且相對于以前的基于納米發電機的自驅動電解水的最高產氫效率提升了2.3倍。本研究為大規模自驅動電解海水制氫進行了有力探索，為有效利用海洋資源實現氫能經濟及“碳中和”目標提供了有效的解決方案。

圖1. 自驅動電解海水制氫系統的設計及原理。

本 文 要 點

要點一：摩擦材料對匹配

TENG的功率輸出與其表面的電荷密度的二次方成正比，因此提高TENG的表面電荷密度是增強其功率輸出的關鍵。本研究首次采用聚甲醛（POM）為摩擦層與聚四氟乙烯（PTFE）接觸起電，實現了344.2 μC m-2的表面電荷密度。并根據前線分子軌道理論分析其電荷密度增大的起因，為后續材料選擇提供了有效借鑒。

要點二：阻抗匹配實現高效整流

TENG的高電壓低電流的輸出特性與電解水制氫需要大電流低電壓輸入相左，因此需要對TENG的輸出進行整流處理。同時由于TENG的阻抗較大（MΩ級別），需要在相應的負載下實現功率輸出的最大值。基于此，本研究采用阻抗匹配原理，采用變壓器將TENG的電流從1.42 mA增大到54.5 mA，并且實現了92.0%的轉化效率。

要點三：直接采用天然海水為電解液

絕大多數的電解水制氫體系采用純水為電解液制取氫氣，這進一步加劇了淡水資源的緊張局面。本研究開發NiCoP-MOF催化劑提高電解制氫性能及穩定性，直接將天然海水為電解液，破解海水短缺的瓶頸，將氫氣產率2.3倍提升了2.3倍，實現了1723.9 μL min-1 m-2的氫氣產率。

審核編輯：劉清