水作為最常見的化合物之一，廣泛分布于地球及地外環境中，其主要存在形式涵蓋液態、固態（冰）和氣態。在伏特和法拉第的時代，人們就認識了水的電解現象。歷經兩個多世紀的發展，電解水已成為可再生能源領域的核心技術之一。同時，氣相水的電化學分解也取得了顯著進展，并在中高溫固體氧化物電解池（SOEC）體系中實現了部分工業化應用。然而，在低溫環境中，能否將固態的冰直接分解以獲取氫氣和氧氣，依然是一個懸而未解的基礎科學問題。

近日，清華大學材料學院伍暉教授團隊合作報道了固態冰的直接電解現象和電化學分解機制，系統揭示了冰在低溫下的離子疏運機制和電極反應過程，并成功實現在低溫環境中從固態冰中直接制備氫氣（H?）和氧氣（O?）。研究團隊發現，質子（H?）和氫氧根離子（OH?）可在冰晶結構中實現高效遷移，低溫下的高效離子輸運可驅動冰晶格內水分子發生電解反應。通過構建摻雜質子或氫氧根的固態冰電解質體系，團隊在零下40°C條件下實現了冰的直接電化學分解。

圖.冰的電化學分解。（a）不同物相的H2O分子電解。（b）零下30°C觀察到冰的一步電解過程（沉浸在環己烷惰性溶劑中）

實驗結果顯示，質子摻雜冰電解質在零下10°C時展現出33.5 mS·cm?1的較高離子電導率，接近室溫下液態電解質的水平。在零下10°C、10 mA·cm?2電流密度下，冰分解反應的電壓為2.18V，能量效率約為70%，驗證了低溫條件下固態冰直接電解的可行性與較高的能量轉化效率。

該成果不僅拓展了水電解技術的溫度適用范圍，更從根本上揭示了冰作為低溫離子導體和固態電解質材料的獨特潛力。在基礎科學層面，通過實驗和理論證實了基于冰晶體表面的固固界面電化學催化析氫和析氧反應，并深化了對冰晶格中離子遷移機制的理解。在技術層面，為全固態低溫電池、冰基電化學反應裝置等新型器件的開發提供了理論支撐與實驗依據。在可持續發展層面，為極地探索、深空和地外任務及其他極端環境中的原位資源利用和能源供給，提供了綠色、高效的解決思路，契合極端環境能量轉化與深空資源利用的發展方向。

相關研究成果以“冰直接電解制備氫氣與氧氣”（Direct Ice Splitting into H? and O? Enabled by High Ionic Conductivity）為題，于5月23日在線發表于《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）。

清華大學材料學院2020級博士生鄧鉑瀚為論文第一作者，伍暉和暨南大學李希波副教授為論文共同通訊作者。論文合作者還包括清華大學航天航空學院高華健院士、李曉雁教授，北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授，中國科學院物理研究所王立芬副研究員等。研究得到國家自然科學基金、基礎科學中心等的支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/jacs.5c01779

來源：清華新聞網、清華大學研究生教育

編輯：詹宇清

初審：陳晨

終審：許晶