電化學中中和能，是一種能通過電化學方式將酸鹼反應的中和能轉換成電能的能量。在標準狀態下,理論上電化學中和能可產生0.828 V的電壓。電化學中和能，通過耦合其他電化學反應，在陽極消耗氫氧根離子和陰極消耗氫離子，將蘊含在酸鹼中的化學能轉換為電能，可用於降低電解的電壓和提高電池的電壓，功率密度和能量密度。
基本介紹
- 中文名：電化學中和能
- 外文名：Electrochemical neutralization energy
- 所屬範疇：能源存儲和轉換
- 本質：化學能轉變為電能
- 套用範圍：電化學
- 過程：氫離子和氫氧根離子分別在正極和負極反應
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概念：
酸和鹼的中和反應是個熱力學自發放熱和動力學快的過程，產物為鹽和水。該反應釋放的熱能不易收集，難以加以利用。工業過程產生的廢酸、廢鹼處理過程中釋放大量的熱，甚至對生態和環境造成一定影響。
電化學中和能則是通過設計特定的電化學池和特定的電化學反應，以電能的方式收集酸和鹼反應釋放的能量。根據能斯特方程，在標準條件下，該反應過程的吉布斯自由能變化(ΔG)為−79.9 kJ/mol，其中n為反應轉移電子數，F為法拉第常數，因此，如果以電化學方式收集該能量，理論上可以產生0.828 V的電壓。
H+ + OH- → H2O
Δ G = -nEF
特徵：
電化學中和能的利用，關鍵是在酸-鹼不對稱的電（解）池體系里，在陰、陽極設計合理的pH敏感電化學反應，並使用特定隔膜（如雙極膜）實現酸鹼的隔離且保證陰、陽極池的離子能順暢導通。對各種電（解）池體系進行合理設計，可以獲得電化學視窗更寬的電池，通過對電化學中和能的利用，提高電池的輸出電壓以及功率密度，或者可以減少電解過程所需輸入的電壓或能耗。
為了實現以電化學的方式收集中和反應的能量，電（解）池應該設計成酸-鹼不對稱的電解液體系，通過在含酸性電解液的陰極端發生的電化學反應消耗氫離子（H+），而在含鹼性電解液的陽極端發生的電化學反應消耗氫氧根離子（OH-）的，同時產生（按陰、陽極端消耗H+和OH-計量比）水。
發現：
1982年，JF Walther在電滲析電池的研究過程中，發現酸鹼中和反應的能量能夠構建相應的pH梯度濃差電池加以收集而產生電能。在電滲析電池中，選擇性滲透雙極膜被用作隔膜，在雙極膜的陽離子選擇性透過膜與陰離子選擇性透過膜之間，含水酸流和含水鹼流接觸自發發生中和反應，在酸性和鹼性流之間產生電勢差。這些電勢差被傳遞到電極從而產生電能。
2014年，Kwong-Yu Chan等人在Electrochemically Enabled Sustainability: Devices, Materials and Mechanisms for Energy Conversion一書的章節中提出了電化學中和能的基本概念。並總結了酸-鹼不對稱體系在各種電化學能源轉換與存儲等領域的套用範例。
套用：
通過設計酸-鹼不對稱電解液的電（解）池體系，電化學中和能可廣泛套用於各種水系電化學能源轉換與存儲系統，中國科學院福建物質結構研究所溫珍海課題組在該領域做了一系列的探索研究，主要分為電化學中和能輔助電解和電池兩系統。
電解：設計酸-鹼不對稱電解液的電解池，陽極電解液和陰極電解液用隔膜（雙極膜）隔離，以防止陰極池的氫離子和陽極池氫氧根離子直接接觸發生化學中和反應，在鹼性陽極端設計消耗OH-的氧化反應（如析氧反應），在酸性陰極端設計消耗H+的還原反應（如析氫反應）。
相比於傳統的電解體系，該體系能夠捕獲並利用電化學中和能，因此能在較低的輸入電壓下實現電解水制氫。通過耦合鹼性溶液中其他小分子的有機物氧化，以取代鹼性陽極的析氧反應，可以進一步減少能耗或獲得具有附加值的產物。如耦合尿素氧化或水合肼氧化與電化學中和能輔助電解產氫。
電池：設計隔膜隔開的酸鹼不對稱電解液電池，放電時負極在鹼性介質中發生氧化反應消耗OH-，正極在酸性介質中發生還原反應消耗H+；充電時負極能釋放出OH-，正極能釋放出H+。
由於電化學中和作用，酸鹼不對稱電解液電池對比於傳統的單電解液電池具有更高的電壓，更大的功率密度和能量密度。通過合理地設計正負極的電極反應，電化學中和能可用於鋅-空氣電池，鋅-水燃料電池，水合肼燃料電池，鋅-有機電池等體系。
