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。

电解水制氢机理:析氧反应(OER)和析氢反应(HER)

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)

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。为促进行业信息流通,艾邦建有制氢产业交流群,聚焦氢气生产、碱水/PEM电解槽(隔膜、极板、催化剂、极框、密封垫片等)、PPS、质子交换膜、钛金属、镍网等产业链上下游,设备,材料,配件等配套资源,欢迎大家加入

作者 808, ab