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

電解水制氫原理：析氧反應(yīng)(OER)和析氫反應(yīng)(HER)

1.析氧反應(yīng)(OER)

 

析氧反應(yīng)(Oxygen Evolution Reaction，OER)，指氫氧根離子或水失去電子，生成氧氣的過(guò)程，發(fā)生在電解槽的陰極。
析氧反應(yīng)(OER)涉及多電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，動(dòng)力學(xué)反應(yīng)較慢，是制約整個(gè)水電解裝置效率的關(guān)鍵因素。不同條件的OER反應(yīng)步驟不一樣：酸性條件下，兩個(gè)水分子轉(zhuǎn)化為四個(gè)質(zhì)子(H+)和一個(gè)氧分子；在中性和堿性介質(zhì)中，主要是四個(gè)氫氧根離子氧化成兩個(gè)水分子和一個(gè)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(diǎn)，“ads”表示中間產(chǎn)物(OHads, Oads, OOHads, O2ads)的吸附狀態(tài)。

電解水制氫原理：析氧反應(yīng)(OER)和析氫反應(yīng)(HER)

OER機(jī)理示意圖

2.陰極析氫反應(yīng)(HER)

 

電解水時(shí)，質(zhì)子或水合氫離子在陰極得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)，生成氫氣析出，該過(guò)程簡(jiǎn)稱為氫還原反應(yīng)(Hydrogen Evolution Reaction，HER)。
陰極析氫反應(yīng)（HER）可基于Volmer-Heyrovsky機(jī)制或Volmer-Tafel機(jī)制發(fā)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(diǎn)，ads表示中間體(Hads)的吸附狀態(tài)。

電解水制氫原理：析氧反應(yīng)(OER)和析氫反應(yīng)(HER)

酸性(左)和堿性(右)介質(zhì)中的HER機(jī)理，圖靈科創(chuàng)
來(lái)源：綜合整理自邃瞳科學(xué)云、氫眼所見(jiàn)等

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作者 li, meiyong

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