水作为最常见的化合物之一，广泛分布于地球及地外环境中，其主要存在形式涵盖液态、固态（冰）和气态。在伏特和法拉第的时代，人们就认识了水的电解现象。历经两个多世纪的发展，电解水已成为可再生能源领域的核心技术之一。同时，气相水的电化学分解也取得了显著进展，并在中高温固体氧化物电解池（SOEC）体系中实现了部分工业化应用。然而，在低温环境中，能否将固态的冰直接分解以获取氢气和氧气，依然是一个悬而未解的基础科学问题。
近日，清华大学材料学院伍晖教授团队合作报道了固态冰的直接电解现象和电化学分解机制，系统揭示了冰在低温下的离子输运机制和电极反应过程，并成功实现在低温环境中从固态冰中直接制备氢气（H₂）和氧气（O₂）。研究团队发现，质子（H⁺）和氢氧根离子（OH⁻）可在冰晶结构中实现高效迁移，低温下的高效离子输运可驱动冰晶格内水分子发生电解反应。通过构建掺杂质子或氢氧根的固态冰电解质体系，团队在零下40°C条件下实现了冰的直接电化学分解。
图.冰的电化学分解。（a）不同物相的H2O分子电解。（b）零下30°C观察到冰的一步电解过程（沉浸在环己烷惰性溶剂中）
实验结果显示，质子掺杂冰电解质在零下10°C时展现出33.5 mS·cm⁻¹的较高离子电导率，接近室温下液态电解质的水平。在零下10°C、10 mA·cm⁻²电流密度下，冰分解反应的电压为2.18V，能量效率约为70%，验证了低温条件下固态冰直接电解的可行性与较高的能量转化效率。
该成果不仅拓展了水电解技术的温度适用范围，更从根本上揭示了冰作为低温离子导体和固态电解质材料的独特潜力。在基础科学层面，通过实验和理论证实了基于冰晶体表面的固固界面电化学催化析氢和析氧反应，并深化了对冰晶格中离子迁移机制的理解。在技术层面，为全固态低温电池、冰基电化学反应装置等新型器件的开发提供了理论支撑与实验依据。在可持续发展层面，为极地探索、深空和地外任务及其他极端环境中的原位资源利用和能源供给，提供了绿色、高效的解决思路，契合极端环境能量转化与深空资源利用的发展方向。
相关研究成果以“冰直接电解制备氢气与氧气”（Direct Ice Splitting into H₂ and O₂ Enabled by High Ionic Conductivity）为题，于5月23日在线发表于《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）。
清华大学材料学院2020级博士生邓铂瀚为论文第一作者，伍晖和暨南大学李希波副教授为论文共同通讯作者。论文合作者还包括清华大学航天航空学院高华健院士、李晓雁教授，北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授，中国科学院物理研究所王立芬副研究员等。研究得到国家自然科学基金、基础科学中心等的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/jacs.5c01779