重水被用於半導體、光纖製造以及醫藥原料等領域，同時也是含有核融合發電燃料氘的重要物資。然而，重水在自然界的水中僅佔0.015%，濃縮需要巨大的能源。日本的重水供給完全依賴進口與回收再利用。國立研究開發法人日本原子能研究開發機構（JAEA）先進基礎研究中心的矢野雄大研究員、保田諭研究主幹，以及大洗原子能工學研究所的久保真治研究主席的研究團隊，開發出了一種在水電解（水分解製氫）過程中，製造氫氣的同時還能以比既往方法高約兩成的效率回收重水的方法。矢野研究員表示：「只需將固體聚合物（PEM）型製氫裝置的原料水供給位置改到陰極側，就能提高重水濃度，進而以低成本實現供給穩定化。該技術已獲得專利，目前已有相關企業前來洽談合作。」相關研究成果已發表在《Chemical Engineering Journal》上。
矢野雄大研究員（供圖：科學新聞）
製氫產業目前正蓬勃發展，尤其是PEM型製氫裝置的普及應用不斷推進。PEM型製氫裝置在陽極與陰極之間夾層固體高分子膜，以此進行水電解。將含有重水的原料水供給至陽極進行電解時，氫離子與氘離子會穿過固體高分子膜向陰極移動，在此過程中，部分普通水與重水也會一同被輸送至陰極側。在陰極處，觸媒表面會生成氫同位素氣體，而輸送過來的水與重水則以液體形式殘留在觸媒附近。
此時，生成的氣體與周邊的水之間，會發生氘的來回往復同位素交换反應，並以一定比率達到平衡。該反應進行得越充分，原本會以氣體形式逸出的氘就越容易被水體吸收，進而更易以液態重水的形式被回收。將回收的重水回流至原料端繼續電解，原料水的氘濃度便會逐步提升，實現濃縮。
研究團隊發現了上述平衡狀態會隨參與反應的重水濃度發生變化的特性。矢野研究員表示：「團隊此前一直在研究氘的高濃度化技術，後來轉換思路，思考能否同時實現重水的濃縮。在梳理重水濃縮方法的過程中，我們意識到同位素交换反應至關重要。」降低陰極附近的重水濃度，會促使反應更容易向彌補該濃度的方向進行，因此研究團隊向陰極側供給低濃度重水，刻意降低陰極周邊的重水濃度。由此創造出汽化後的氘更易向水一側轉移的狀態，強化了液態重水回收的流程。
圖1 PEM型水電解裝置的結構（供圖：日本原子能研究開發機構）
在原料水氘濃度約為10%的條件下，既往方法（不向陰極側供水的運行方式）的重水濃度變化為10%→23.8%，而本次開發的新方法則實現了10.5%→27.3%，回收效率較既往方法提升了約兩成。在原料水氘濃度約為90%的條件下，也確認了同等幅度的效率提升，表明該方法在低濃度至高濃度區間均有效。
在製氫工廠中，由於電解裝置會連續連接，運用本次研發的方法，可逐步提高氘的濃度。待濃度提升至一定水平後進行濃縮處理，便能實現工業用重水的國產化生產。通過將此前被排放的氘與廢棄的重水轉化為資源加以利用，有望提升日本的產業競爭力。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Chemical Engineering Journal
論文：Enhancement of Deuterium Enrichment Efficiency in PEM Water Electrolysis via Isotope Exchange Equilibrium Shift
DOI：doi.org/10.1016/j.cej.2025.172423
