电解水制氢机理：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)

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)。

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-
• 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-
• 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。

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。

根据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书（2020）》预测，2030年中国氢气需求量达3715万吨，2050年达9690万吨。有分析认为，电解水制氢将逐步作为中国氢能供应的主体，在氢能供给结构的占比将在2040、2050年分别达到45%、70%。因此，在“双碳”背景下，电解水制氢项目成为了市场关注的热点话题。

本文原文始发于微信公众号（艾邦氢科技网）