隨著全球能源結(jié)構(gòu)向低碳化轉(zhuǎn)型,，氫能作為清潔能源載體備受關(guān)注,。水電解制氫因其原料來源廣泛（H?O）、產(chǎn)物純度高,、環(huán)境友好性,，成為具有潛力的制氫技術(shù)之一。電催化水電解制氫通過電極表面的電化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動水分解,，其效率和成本直接影響氫能的經(jīng)濟(jì)性與規(guī)模化應(yīng)用,。近年來,，電催化材料的開發(fā)、反應(yīng)器設(shè)計的優(yōu)化及系統(tǒng)集成技術(shù)的進(jìn)步,，顯著推動了該領(lǐng)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(xué)反應(yīng)將水分解為氫氣和氧氣的綠色制氫技術(shù),。該技術(shù)以可再生能源為電力來源，具有零碳排放,、高效可控的特點(diǎn),，是實現(xiàn)“碳中和"目標(biāo)的重要路徑之一。

一． 基本原理與反應(yīng)機(jī)制

1. 技術(shù)原理

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

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

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

• 總反應(yīng)：2H2O→2H2↑+O2↑

2. 電催化過程

• 陰極析氫反應(yīng)（HER）：
  在酸性或堿性介質(zhì)中，質(zhì)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(yīng)（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(yīng)動力學(xué)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|(zhì)阻力。

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

二． 關(guān)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(diǎn)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(zhì)

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

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

• 固體電解質(zhì)：質(zhì)子交換膜（PEM）或陶瓷固體電解質(zhì)（SOEC）,。

2.3 電解槽結(jié)構(gòu)

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

• 質(zhì)子交換膜電解槽（PEM）：使用固體聚合物電解質(zhì)（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(zhì)（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(yīng)系統(tǒng)在制氫中的應(yīng)用

3.1連續(xù)流反應(yīng)器設(shè)計

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

• 多孔電極結(jié)構(gòu)：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(shè)計：支持多反應(yīng)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(shè)計，優(yōu)化反應(yīng)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(xué)阻抗譜（EIS）實時監(jiān)控反應(yīng)狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整電位與流速,。

四.技術(shù)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(chǎn)。資源循環(huán)：耦合廢水處理或生物質(zhì)電解,，兼具能源與環(huán)保效益（如每噸廢塑料可產(chǎn)氫120 kg）,。

4.2 高效與經(jīng)濟(jì)性

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

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

4.3 工藝靈活性

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

多產(chǎn)物聯(lián)產(chǎn)：設(shè)計多功能反應(yīng)器，實現(xiàn)“電解制氫+化學(xué)品合成"一體化（如同時產(chǎn)H?和甲酸）。

五．總結(jié)

      電催化水電解制氫技術(shù)通過高效傳質(zhì),、精準(zhǔn)電控與可持續(xù)工藝，正在重塑氫能生產(chǎn)格局,。其在綠氫制備,、資源循環(huán)利用及燃料電池技術(shù)中的關(guān)鍵作用，使其成為實現(xiàn)“雙碳"目標(biāo)的核心技術(shù)之一,。隨著材料科學(xué)與自動化技術(shù)的突破,，該技術(shù)將進(jìn)一步推動氫能產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化與商業(yè)化應(yīng)用,。

產(chǎn)品展示

        SSC-PECRS電催化連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)主要用于電催化反應(yīng)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(yīng)液體控溫系統(tǒng),，實現(xiàn)主要用于光電催化CO2還原反應(yīng)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(yīng)系統(tǒng)將氣路液路系統(tǒng),、光電催化反應(yīng)池、在線檢測設(shè)備等進(jìn)行智能化,、微型化,、模塊化設(shè)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(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行定性定量分析,。可以適配市面上多數(shù)相關(guān)的電解池,，也可以根據(jù)實驗需求定制修改各種電催化池,。

產(chǎn)品優(yōu)勢：

● 將光源、電化學(xué)工作站,、電催化反應(yīng)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(dǎo)體材料的光電催化流動相CO2還原反應(yīng)活性評價等；

● 用于半導(dǎo)體材料的光電催化流動相H2O分解產(chǎn)氫,、產(chǎn)氧活性評價,、N2還原、電催化等,；

● 微量反應(yīng)系統(tǒng),，極低的催化劑用量；

● 導(dǎo)電電極根據(jù)需要可表面鍍金,、鈀或鉑,，導(dǎo)電性能好，耐化學(xué)腐蝕,；

● 標(biāo)配光電反應(yīng)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(zhì),，耐壓抗腐蝕

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

● 測試范圍廣,，CO2,、CO、CH4,、甲醇,、氫氣、氧氣,、烴類等微量氣體,。