水电解

创作时间：贰零贰壹年柒月贰叁拾日

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水电解制氢之欧侯瑞魂创作

创作时间：贰零贰壹年柒月贰叁拾日

水电解制氢是一种较为方便的制取氢气的方法。在充满电解液

的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解

成氢气和氧气。

中文名水电解制氢

运用试剂碱性电解液或纯水

定律法拉第定律

1

其化学反应式如下：

①、碱性条件：

阴极：4H2O+4e-=2H2↑+4OH-

阳极：4OH--4e-=2H2O+O2↑

总反应式：2H2O=2H2↑+O2↑

②、酸性条件：

阳极：2H2O-4e-=O2↑+4H+

阴极：4H++4e-=2H2↑

反应遵循法拉第定律，气体产量与电流和通电时间成正比。

2

固体聚合物电解质，SPE电解水，最初用于向宇宙飞船或潜水

艇供氧，或在实验室作为氢气发生器(可用于气体色谱)。核电大

规模发展以后，人们利用SPE技术在用电低谷电解水发生氢，在

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供电高峰以SPE氢-氧燃料电池向外供电，使之成为能量贮存转换

装置

通过直接电解纯水发生高纯氢气（不加碱），电解池只电解纯

水即可产氢。通电后，电解池阴极产氢气，阳极产氧气，氢气进

入氢/水分离器。氧气排入大气。氢/水分离器将氢气和水分离。

氢气进入干燥器除湿后，经稳压阀、调节阀调整到额定压力

（0.02～0.45Mpa可调）由出口输出。电解池的产氢压力由传感

器控制在0.45Mpa左右，当压力达到设定值时，电解池电源供应

切断；压力下降，低于设定值时电源恢复供电。

3

在氯碱工业中副产多量较纯氢气，除供合成盐酸外还有剩余，

也可经提纯生产普氢或纯氢。像化工二厂用的氢气就是电解盐水

的副产

电解水

水(H2O)被直流电电解生成氢气和氧气的过程被称为电解水。

电流通过水(H2O)时，在阴极通过还原水形成氢气(H2)，在阳极则

通过氧化水形成氧气(O2)。氢气生成量大约是氧气的两倍。电解

水是取代蒸汽重整制氢的下一代制备氢燃料方法。

中文名

电解水

外文名

electrolysisofwater

创作时间：贰零贰壹年柒月贰叁拾日

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含义

水(H2O)被电解生成氢气和氧气

方程式

2H2O——（通电）2H2↑+O2↑、

历史

最早于1789年，杨-鲁道夫-德曼和阿德里安-派斯-范-特鲁斯

维克通过静电装置发电利用金电极把莱顿瓶中的水电解成气体。

1800年，亚历山德罗-伏特发明了伏打电池，并于数周后，被威

廉-尼克森和安东尼-卡莱尔用于电解水。1869年格拉姆发明直流

发电机后，电解水逐渐引人关注，并成为一种廉价制氢的方法。

装置，原理及反应方程式

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最简单的电解水装置通常包含电源，两个电极(阴极和阳极)和

电解液(主要是水)。水在阴极得到电子被还原形成氢气，而水在

阳极失去电子被氧化形成氧气。

电解水示意图

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电解反应式

在100%法拉第效率（又称”电流效率“）的情况下，即电能

100%转化成化学能，氢气发生量为氧气发生量的两倍，且发生的

气体量与通过的电量成正比。但是，实际情况下，由于许多副反

应的介入，法拉第效率会降低并发生一定量的副产品。

热力学及动力学

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在尺度大气压和温度下，阳极上析氧反应的电极电势为1.23

V，阴极上析氢反应的电极电势为0.00V，因此在一个大气压和

25oC下，电解水所需要的理论最小电压为1.23V。[1]基于

能斯特方程，电解水的理论电压不受电解液的酸碱度(pH)影响。

虽然理论上热力学决定的电解水最小电压为1.23V，但是由于阴

极和阳极反应都牵涉到多步电子转移的过程，而每个电子转移过

程都会引入反应动力学能垒(活化能)。这些活化能的叠加会导致

实际电解水的电压远大于1.23V，而这部分多施加的电压被称为

过电势。除了活化能之外，离子转移率，电导性，概况气泡的通

畅性以及反应熵都会导致更大的过电势。

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催化剂

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催化剂通常能使电解水的活化能大大降低，从而降低电解水的

过电势。催化剂的优劣决定了电解水所需要的总电压以及电能转

换为氢能的转化效率。比方，两根石墨电极组成的电解池通常需

要大于2V的电压才干发生氢气和氧气，因为石墨不是理想的催

化剂，而两片不锈钢电极组成的电解池需要大约1.6-1.8V的电压

就能发生氢气和氧气。研究新型的催化剂来增加能量转换效率是

能源领域十分受关注的焦点。

在酸性环境中，铂是析氢反应的催化剂，几乎没有任何过电势

以及非常小的塔菲尔斜率(电流增加10倍所需要的额外电压)，是

几乎理想化的催化剂，但是由于铂贵金属资源稀缺，科学家正在

寻找一些廉价催化剂(过渡金属硫化物，碳化物以及磷化物)。氧

化铱是析氧反应的催化剂，但是同样依赖于稀缺资源，同时由于

高电位以及酸性环境，极少物质能能同时展现析氧反应催化活性

和稳定性，所以目前为止还没有找到氧化铱的替代品。

在碱性环境中，铂和氧化铱依然是很好的催化剂，但是由于氧

化物和氢氧化物在碱性环境的稳定性，能有更多低原子数过渡金

属化物的选择。比方，镍基合金展现出了优良的析氢反应的催化

活性和稳定性，镍铁基复合资料和一些钙钛矿资料展现出了优良

的析氧反应的催化活性。[2]

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工业应用及前景

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基于其高能量密度及零排放(不排放任何温室效应气体)，氢气

已被列为潜在的清洁能源燃料，同时氢燃料可以通过氢燃料电池

的方式驱动各类电子设备及电驱动车。随着氢燃料的飞速发展，

电解制氢也逐渐步入工业化取代传统的蒸汽重整制氢的方法来消

除对天然气的依赖性同时又减少成本增加氢燃料纯度。

碱性电解水制氢

碱性电解水制氢

现有的工业化电解制氢方法主要有两种：碱性电解水制氢，聚

合物电解质电解水制氢。前者通常使用较廉价的电极资料，但工

作电流较低，镍钴铁复合资料作为阳极，镍基资料作为阴极，高

浓度的氢氧化钠或氢氧化钾溶液作为电解液，工作温度为60-80

度，工作电流为0.2-0.4A/cm2，氢气发生量为<760Nm3/h。后

者由于酸性环境通常使用贵金属作为催化剂，但工作电流较高，

氧化铱作为阳极，铂作为阴极，工作温度为50-80度，工作电流

为0.6-2.0A/cm2，氢气发生量大约为30Nm3/h。

电解水工业化还处于发展阶段，仍有许多问题需要处理。比

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方，通常电解槽需要高纯度的淡水资源，直接用海水会导致电极

腐蚀和效率降低，而电解海水的氯碱工业需要更高的电压来实现

氢气的制备，如何实现电解海水将极大地推动电解水工业化的程

序。

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