重水被用于半导体、光纤制造以及医药原料等领域，同时也是含有核聚变发电燃料氘的重要物资。然而，重水在自然界的水中仅占0.015%，浓缩需要巨大的能源。日本的重水供给完全依赖进口与回收再利用。国立研究开发法人日本原子能研究开发机构（JAEA）先进基础研究中心的矢野雄大研究员、保田谕研究主干，以及大洗原子能工学研究所的久保真治研究主席的研究团队，开发出了一种在水电解（水分解制氢）过程中，制造氢气的同时还能以比既往方法高约两成的效率回收重水的方法。矢野研究员表示：“只需将固体高分子（PEM）型制氢装置的原料水供给位置改到阴极侧，就能提高重水浓度，进而以低成本实现供给稳定化。该技术已获得专利，目前已有相关企业前来洽谈合作。”相关研究成果已发表在《Chemical Engineering Journal》上。
矢野雄大研究员（供图：科学新闻）
制氢产业目前正蓬勃发展，尤其是PEM型制氢装置的普及应用不断推进。PEM型制氢装置在阳极与阴极之间夹层固体高分子膜，以此进行水电解。将含有重水的原料水供给至阳极进行电解时，氢离子与氘离子会穿过固体高分子膜向阴极移动，在此过程中，部分普通水与重水也会一同被输送至阴极侧。在阴极处，催化剂表面会生成氢同位素气体，而输送过来的水与重水则以液体形式残留在催化剂附近。
此时，生成的气体与周边的水之间，会发生氘的来回往复同位素交换反应，并以一定比率达到平衡。该反应进行得越充分，原本会以气体形式逸出的氘就越容易被水体吸收，进而更易以液态重水的形式被回收。将回收的重水回流至原料端继续电解，原料水的氘浓度便会逐步提升，实现浓缩。
研究团队发现了上述平衡状态会随参与反应的重水浓度发生变化的特性。矢野研究员表示：“团队此前一直在研究氘的高浓度化技术，后来转换思路，思考能否同时实现重水的浓缩。在梳理重水浓缩方法的过程中，我们意识到同位素交换反应至关重要。”降低阴极附近的重水浓度，会促使反应更容易向弥补该浓度的方向进行，因此研究团队向阴极侧供给低浓度重水，刻意降低阴极周边的重水浓度。由此创造出汽化后的氘更易向水一侧转移的状态，强化了液态重水回收的流程。
图1 PEM型水电解装置的结构（供图：日本原子能研究开发机构）
在原料水氘浓度约为10%的条件下，既往方法（不向阴极侧供水的运行方式）的重水浓度变化为10%→23.8%，而本次开发的新方法则实现了10.5%→27.3%，回收效率较既往方法提升了约两成。在原料水氘浓度约为90%的条件下，也确认了同等幅度的效率提升，表明该方法在低浓度至高浓度区间均有效。
在制氢工厂中，由于电解装置会连续连接，运用本次研发的方法，可逐步提高氘的浓度。待浓度提升至一定水平后进行浓缩处理，便能实现工业用重水的国产化生产。通过将此前被排放的氘与废弃的重水转化为资源加以利用，有望提升日本的产业竞争力。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Chemical Engineering Journal
论文：Enhancement of Deuterium Enrichment Efficiency in PEM Water Electrolysis via Isotope Exchange Equilibrium Shift
DOI：doi.org/10.1016/j.cej.2025.172423
