不管是堿性還是PEM，電解水制氫機理基本相通，其反應(yīng)包括陰極析氫反應(yīng)(HER)和陽極析氧反應(yīng)(OER)兩個半反應(yīng)，今天一起來分別看看析氧反應(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)移過程，動力學反應(yīng)較慢，是制約整個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，兩個水分子轉(zhuǎn)化為四個質(zhì)子(H+)和一個氧分子；在中性和堿性介質(zhì)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(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機理示意圖

2.陰極析氫反應(yīng)(HER)

 

電解水時，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，該過程簡稱為氫還原反應(yīng)(Hydrogen Evolution Reaction，HER)。
陰極析氫反應(yīng)（HER）可基于Volmer-Heyrovsky機制或Volmer-Tafel機制發(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，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機理，圖靈科創(chuàng)
來源：綜合整理自邃瞳科學云、氫眼所見等

原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦氫科技網(wǎng)）：電解水制氫原理：析氧反應(yīng)(OER)和析氫反應(yīng)(HER)

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作者 li, meiyong

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