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不管是碱性还是PEM,电解水制氢机理基本相通,其反应包括阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)两个半反应,今天一起来分别看看析氧反应(OER)和析氢反应(HER)。

电解水制氢机理:析氧反应(OER)和析氢反应(HER)

1.析氧反应(OER)

析氧反应(Oxygen Evolution Reaction,OER),指氢氧根离子或水失去电子,生成氧气的过程,发生在电解槽的阴极。
析氧反应(OER)涉及多电子转移过程,动力学反应较慢,是制约整个水电解装置效率的关键因素。不同条件的OER反应步骤不一样:酸性条件下,两个水分子转化为四个质子(H+)和一个氧分子;在中性和碱性介质中,主要是四个氢氧根离子氧化成两个水分子和一个氧分子。
酸性条件下OER的步骤如下:
  • H2O + * → OHads+ H+ + e- 
  • OHads→ Oads + H+ + e-
  • Oads+ H2O → OOHads + H++ e-   
  • OOHads→ O2ads + H+ + e-  
  • O2ads→ O2 + *
  • Overall: 2H2O→ 4H+ + O2+ 4e-
碱性条件下OER的步骤如下:
  • OH-+ * → OHads + e-
  • OHads+ OH- → Oads + H2O + e-
  • Oads+ OH- → OOHads + e-
  • OOHads+ OH-→ O2ads + H2O + e
  • O2ads→ O2 + *
  • Overall: 4OH-→ 2H2O + O2 + 4e- 
其中*表示催化剂表面的活性位点,“ads”表示中间产物(OHads, Oads, OOHads, O2ads)的吸附状态。

电解水制氢机理:析氧反应(OER)和析氢反应(HER)

OER机理示意图

2.阴极析氢反应(HER)

电解水时,质子或水合氢离子在阴极得到电子,发生还原反应,生成氢气析出,该过程简称为氢还原反应(Hydrogen Evolution Reaction,HER)。
阴极析氢反应(HER)可基于Volmer-Heyrovsky机制或Volmer-Tafel机制发生,碱性和酸性条件的演化步骤相似。
碱性条件下HER的步骤如下:
  • H2O + e-→ OH- + Hads (Volmer)   

  • Hads+ H2O + e- → OH- +H2 (Heyrovsky)

  • or 2Hads → H2 (Tafel)

酸性条件下HER的步骤如下:
  • H++e- + * → Hads (Volmer)

  • Hads + H++ e- → H2 (Heyrovsky)

  • or 2Hads → H2 (Tafel)
其中*表示催化剂表面的活性位点,ads表示中间体(Hads)的吸附状态。

酸性(左)和碱性(右)介质中的HER机理,图灵科创

3.电解水制氢所用催化剂

析氢反应目前主要使用Pt基贵金属催化剂,而析氧反应主要使用IrO2和RuO2等贵金属氧化物催化剂,相关催化剂厂商有济平新能源、中自科技、氢电中科、擎动科技、广东喜玛拉雅氢能科技、贺利氏、枡水新能源、浙江高成绿能科技、宁波中科科创、稳石氢能等。
来源:综合整理自邃瞳科学云、氢眼所见等
 

原文始发于微信公众号(艾邦氢科技网):电解水制氢机理:析氧反应(OER)和析氢反应(HER)

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作者 li, meiyong