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不管是堿性還是PEM,電解水制氫機理基本相通,其反應包括陰極析氫反應(HER)和陽極析氧反應(OER)兩個半反應,今天一起來分別看看析氧反應(OER)和析氫反應(HER)。

電解水制氫機理:析氧反應(OER)和析氫反應(HER)

1.析氧反應(OER)

析氧反應(Oxygen Evolution Reaction,OER),指氫氧根離子或水失去電子,生成氧氣的過程,發生在電解槽的陰極。
析氧反應(OER)涉及多電子轉移過程,動力學反應較慢,是制約整個水電解裝置效率的關鍵因素。不同條件的OER反應步驟不一樣:酸性條件下,兩個水分子轉化為四個質子(H+)和一個氧分子;在中性和堿性介質中,主要是四個氫氧根離子氧化成兩個水分子和一個氧分子。
酸性條件下OER的步驟如下:
  • H2O + * → OHads+ H+ + e-?
  • OHads→ Oads + H+ + e-
  • Oads+ H2O → OOHads + H++ e- ??
  • OOHads→ O2ads + H+ + e-??
  • O2ads→ O2 + *
  • Overall: 2H2O→ 4H+ + O2+ 4e-
堿性條件下OER的步驟如下:
  • 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*表示催化劑表面的活性位點,“ads”表示中間產物(OHads, Oads, OOHads, O2ads)的吸附狀態。

電解水制氫機理:析氧反應(OER)和析氫反應(HER)

OER機理示意圖

2.陰極析氫反應(HER)

電解水時,質子或水合氫離子在陰極得到電子,發生還原反應,生成氫氣析出,該過程簡稱為氫還原反應(Hydrogen Evolution Reaction,HER)。
陰極析氫反應(HER)可基于Volmer-Heyrovsky機制或Volmer-Tafel機制發生,堿性和酸性條件的演化步驟相似。
堿性條件下HER的步驟如下:
  • H2O + e-→ OH- + Hads (Volmer) ??

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

  • or 2Hads → H2 (Tafel)

酸性條件下HER的步驟如下:
  • H++e- + * → Hads (Volmer)

  • Hads + H++ e- → H2 (Heyrovsky)

  • or 2Hads → H2 (Tafel)
其中*表示催化劑表面的活性位點,ads表示中間體(Hads)的吸附狀態。

酸性(左)和堿性(右)介質中的HER機理,圖靈科創

3.電解水制氫所用催化劑

析氫反應目前主要使用Pt基貴金屬催化劑,而析氧反應主要使用IrO2和RuO2等貴金屬氧化物催化劑,相關催化劑廠商有濟平新能源、中自科技、氫電中科、擎動科技、廣東喜瑪拉雅氫能科技、賀利氏、枡水新能源、浙江高成綠能科技、寧波中科科創、穩石氫能等。
來源:綜合整理自邃瞳科學云、氫眼所見等
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原文始發于微信公眾號(艾邦氫科技網):電解水制氫機理:析氧反應(OER)和析氫反應(HER)

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