隨著全球能源結構向低碳化轉型，氫能作為清潔能源載體備受關注。水電解制氫因其原料來源廣泛（H?O）、產物純度高、環(huán)境友好性，成為具有潛力的制氫技術之一。電催化水電解制氫通過電極表面的電化學反應驅動水分解，其效率和成本直接影響氫能的經濟性與規(guī)模化應用。近年來，電催化材料的開發(fā)、反應器設計的優(yōu)化及系統(tǒng)集成技術的進步，顯著推動了該領域的發(fā)展。電催化水電解制氫（Electrocatalytic Water Splitting for Hydrogen Production）是一種通過電化學反應將水分解為氫氣和氧氣的綠色制氫技術。該技術以可再生能源為電力來源，具有零碳排放、高效可控的特點，是實現(xiàn)“碳中和"目標的重要路徑之一。

一． 基本原理與反應機制

1. 技術原理

水電解制氫的核心反應是通過電場驅動水分子在電極表面發(fā)生氧化還原反應：

• 陰極反應（析氫反應，HER）：
  2H2O+2e?→H2↑+2OH? （堿性/中性條件）
  2H++2e?→H2↑ （酸性/質子交換膜條件）

• 陽極反應（析氧反應，OER）：
  2H2O→O2↑+4H++4e? （酸性/質子交換膜條件）
  4OH?→O2↑+2H2O+4e? （堿性/中性條件）

• 總反應：2H2O→2H2↑+O2↑

2. 電催化過程

• 陰極析氫反應（HER）：
  在酸性或堿性介質中，質子（H?）或水分子在催化劑表面接受電子生成H?。

• 酸性：2H++2e?→H2↑

• 堿性：2H2O+2e?→H2↑+2OH?

• 陽極析氧反應（OER）：
  水分子或羥基離子在陽極氧化生成O?：

• 酸性：2H2O→O2↑+4H++4e?

• 堿性：4OH?→O2↑+2H2O+4e?

3. 反應動力學瓶頸

• 過電位（η）：實際電壓與理論電壓的差值，主要源于催化劑活性不足和界面?zhèn)髻|阻力。

• 塔菲爾斜率（Tafel Slope）：反映反應速率對電位的敏感性，理想催化劑應具有低塔菲爾斜率（<50 mV/dec）。

二． 關鍵組件

2.1 電極材料

• 陰極材料（析氫催化劑）：貴金屬催化劑：Pt、Pd及其合金（高活性、低成本替代物如Pt-Ni、Pt-Cu）。

• 非貴金屬催化劑：鎳基合金（NiMo）、過渡金屬硫化物（MoS?）、磷化物（Ni?P）。

• 單原子催化劑（SACs）：Fe-N-C、Co-N-C，活性位點密集，催化效率高。

• 陽極材料（析氧催化劑）：貴金屬氧化物：IrO?、RuO?（高穩(wěn)定性，但成本高）。

• 過渡金屬氧化物：NiFe層狀雙氫氧化物（LDH）、Co?O?、MnO?。

• 鈣鈦礦型氧化物：LaMnO?、SrTiO?，兼具活性與穩(wěn)定性。

2.2 電解質

• 酸性電解質：硫酸（H?SO?）、磷酸（H?PO?），適用于質子交換膜電解槽（PEM）。

• 堿性電解質：氫氧化鉀（KOH）、氫氧化鈉（NaOH），適用于堿性電解槽（AWE）。

• 固體電解質：質子交換膜（PEM）或陶瓷固體電解質（SOEC）。

2.3 電解槽結構

• 堿性水電解槽（AWE）：使用液態(tài)KOH/NH?·H?O作為電解質，工作溫度70-90°C，技術成熟但效率較低（~70%）。

• 質子交換膜電解槽（PEM）：使用固體聚合物電解質（如Nafion），工作溫度50-80°C，電流密度高（>1 A/cm2），但依賴貴金屬催化劑。

• 固體氧化物電解槽（SOEC）：工作溫度700-1000°C，利用陶瓷電解質（如釔穩(wěn)定氧化鋯，YSZ），效率高（~90%），但耐高溫材料成本高。

三．電催化連續(xù)流反應系統(tǒng)在制氫中的應用

3.1連續(xù)流反應器設計

• 微通道電極：通過狹窄流道（微米級）增強傳質效率，避免H?氣泡覆蓋電極表面。

• 多孔電極結構：如碳納米管、泡沫鎳，提供高比表面積和電子傳輸通道。

• 模塊化設計：支持多反應器串聯(lián)，實現(xiàn)“電解制氫+CO?捕獲"或“電解制氫+廢水處理"一體化工藝。

3.2 工藝優(yōu)化

• 流動模式：采用并流或逆流設計，優(yōu)化反應物與催化劑的接觸效率。

• 溫度與壓力控制：高溫高壓條件下（如SOEC），水分解電壓降低，能耗減少。

• 在線監(jiān)測：集成pH傳感器、電化學阻抗譜（EIS）實時監(jiān)控反應狀態(tài)，動態(tài)調整電位與流速。

四.技術優(yōu)勢

4.1 綠色可持續(xù)性

零碳排放：以可再生能源供電，實現(xiàn)“綠氫"生產。資源循環(huán)：耦合廢水處理或生物質電解，兼具能源與環(huán)保效益（如每噸廢塑料可產氫120 kg）。

4.2 高效與經濟性

高電流密度：連續(xù)流反應器使電流密度提升至5-10 A/cm2，制氫成本降低30%。

模塊化擴展：通過增加電解槽模塊實現(xiàn)產能線性擴展，適合分布式制氫場景。

4.3 工藝靈活性

動態(tài)響應：快速調節(jié)電位與流速，適應電網峰谷電價時段優(yōu)化制氫效率。

多產物聯(lián)產：設計多功能反應器，實現(xiàn)“電解制氫+化學品合成"一體化（如同時產H?和甲酸）。

五．總結

      電催化水電解制氫技術通過高效傳質、精準電控與可持續(xù)工藝，正在重塑氫能生產格局。其在綠氫制備、資源循環(huán)利用及燃料電池技術中的關鍵作用，使其成為實現(xiàn)“雙碳"目標的核心技術之一。隨著材料科學與自動化技術的突破，該技術將進一步推動氫能產業(yè)的規(guī)模化與商業(yè)化應用。

產品展示

        SSC-PECRS電催化連續(xù)流反應系統(tǒng)主要用于電催化反應和光電催化劑的性能評價，可以實現(xiàn)連續(xù)流和循環(huán)連續(xù)流實驗，配置反應液體控溫系統(tǒng)，實現(xiàn)主要用于光電催化CO2還原反應全自動在線檢測系統(tǒng)分析，光電催化、N2催化還原，電催化分析、燃料電池、電解水等。

        SSC-PECRS電催化連續(xù)流反應系統(tǒng)將氣路液路系統(tǒng)、光電催化反應池、在線檢測設備等進行智能化、微型化、模塊化設計并集成為一套裝置，通過兩路氣路和兩路液路的不同組合實現(xiàn)電催化分析，并采用在線檢測體系對反應產物進行定性定量分析?？梢赃m配市面上多數相關的電解池，也可以根據實驗需求定制修改各種電催化池。

產品優(yōu)勢：

● 將光源、電化學工作站、電催化反應池、管路切換和氣相色譜模塊化集成化系統(tǒng)化；

● PLC控制系統(tǒng)集成氣路、液路控制、溫度控制、壓力控制、閥體切換、流路顯示等；

● 主要用于半導體材料的光電催化流動相CO2還原反應活性評價等；

● 用于半導體材料的光電催化流動相H2O分解產氫、產氧活性評價、N2還原、電催化等；

● 微量反應系統(tǒng)，極低的催化劑用量；

● 導電電極根據需要可表面鍍金、鈀或鉑，導電性能好，耐化學腐蝕；

● 標配光電反應池，可實現(xiàn)兩室三電極體系或三室三電極體系，采用純鈦材質，耐壓抗腐蝕

● 可適用于氣-固-液三相界面的催化反應體系，也可適用于陰陽極液流循環(huán)反應系統(tǒng)；

● 測試范圍廣，CO2、CO、CH4、甲醇、氫氣、氧氣、烴類等微量氣體。