关于高效电解水制氢发展现状与技术优化策略研究

 关于高效电解水制氢发展现状与技术优化策略研究

徐雷

中石化中原石油工程设计有限公司  河南郑州  450000

摘要：当前随着技术手段的不断提高，电解水得到广泛的应用，电解水的过程比较复杂，其中包括许多环节，氢析出反应( Hydrogen evolution reaction，HEＲ)是电解水的重要环节，近些年氢析出反应受到广泛的关注和追捧，许多学者都在积极研究电解水的相关研究。经过多年的实践和研究，学者们也研究和总结出一些关于电解水制氢的影响因素，使得人们的眼界又扩展不少。本文主要探讨了电解水制氢催化剂的研究概述、电解水溶液的研究进展、电解池的研究进展、优化策略与展望，希望本文内容能对相关单位和企业有所帮助，为相关领域提供一定的理论依据和指导方法。

关键词: 氢析反应；电解水；催化剂；策略；展望

当前我国的工业化水平得到飞速的发展，但是可利用的能源资源是有限的，能源危机问题逐渐突出，当前我国大部分的能源来自于传统的化石燃料，由此给环境带来较大的负担，为了解决这个问题，社会的研究人员已经逐渐开始研发新能源和环保能源。在这其中氢能得到较大的发展，利用空间较大。氢能具有自身独有的特点，主要包括：能量密度高、分子质量小、燃烧产物仅为水等优点，是当前应用备受追捧的新能源。电解水制氢是当前应用最广的策略，具有许多优势，主要包括：原材料不复杂、生产效率较高、纯度较高等等，但在应用的同时也存在一定的不足，包括：电力成本较高、设备需要长期的维护、产能不达标等等，本文将重点探讨电解水制氢的相关内容。

一、电解水制氢催化剂的研究概述

（一）贵金属催化剂

贵金属催化剂是电解水制氢中的重要催化剂，它可以有效的控制HER的过电位，是比较有代表性的催化剂，但是其也存在比较多的缺点，主要包括：使用成本较高、储量较低、化学稳定性较差等等，由于这些缺点也限制了其在各个领域的发展空间。当前针对贵金属的这些缺点也进行的完善，主要通过改变组成和结构，进一步提高贵金属催化剂的本征活性和稳定性，从而降低其载量。

（二）过渡金属催化剂

过渡金属是替代贵金属的重要材料，过渡金属催化剂主要包括：过渡金属硫化物、磷化物、硒化物、氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、碲化物和过渡金属合金等。当前通过一系列的方法对此催化剂进行改性，改性之后的催化性能明显的提高。

二、电解水溶液的研究进展

（一）海水电解质

我国的海水资源非常丰富，同时分布的也比较广泛，充分的利用海水作为电解水的溶液，可以在一定程度上减轻淡水资源的压力，通过实践可知海水中的各种离子可以对电解水产生一定的影响，海水在电解过程中会产生一些副产物，这些副产物会减低催化剂的活性，另外一方面，海水自身的特性也导致电解海水的动力较缓慢，因此当使用海水作为电解水的溶液时就要注意稳定性。

（二）电解废水制氢

当前工业废水和农业废水在电解水制氢中得到广泛的应用，工业废水逐渐的取代全解水，通过实践可知电解水制氢的阳极反应多为OER，OER的整体动力学过程比较缓慢，在一些方面起到了限制作用，为了解决这一问题就需要寻求新的电解质，工业废水正好具有具备这样的特点，工业废水中具有有机物，主要包括：尿素等有机物。

三、电解池的研究进展

（一）电解池膜的发展

在碱性电解水制氢过程中以往会使用石棉膜，使用石棉膜就会间接的会使H2和O2混合，这样容易发生意外事故，同时电阻较高，这也会在一定程度上阻碍电解水的反应。另外一方面，碱性电解水的电解液KOH极易与空气进行反应，容易与C02进行反应，这时就会生成许多的沉积物，这些沉积物会阻碍离子的迁移，导致催化效率降低。面对这样的情况，必须创新研发新的交换膜，新的交换膜要保证耐久性较好、可靠性较高的特性，这也是当前研究的重点之一。

（二）电解池电极的发展

电极板在电解水制氢系统中发挥着重要的作用，电极板起到的作用包括：传输电流、支撑电流、控制物料，电解水制氢对电极板具有较高的要求，要满足耐腐蚀强、导电率高、气体透率好等等。

四、电解水制氢的优化策略与展望

(一) 规范催化剂性能的表达方式

当前电解催化剂的表征方式比较固定，电解催化剂的性能主要通过反应过电位、Tafel斜率、电容、阻抗和计时电位等电化学方法来表征。由于不同催化剂具有不同的特点，主要体现在制备方法、适用环境不同、负载量不同等等，制备与电解水系统的实际具有较大的差异，主要体现在应用成本和效率上。另外一方面，有些催化剂的成本虽然低，但是仅适合用于小型的实验室，不适合大的工业化生产。催化剂在反应过程中会受到各种因素的影响，主要包括：电解池、外部环境等等，这里实际电解水系统的阻抗并不等同于催化剂的阻抗。面对这样的情况，需要规范催化剂性能的表述和表达方式，对不同的测试环境进行说明和解释，合理分析出 与实际应用的误差。

(二) 提高对电解水 HER催化机理的理解

不同酸碱环境下电解水析的反应机理有所不同，主要体现在以下这几方面，酸性体系中的OER进行比较难，但是HER的金城就比较容易，当前化工领域还没有稳定性较好的酸性OER催化剂，这也是当前面临的棘手问题，需要急需进行解决。碱性体系中可以使用的催化剂比较多，除了常用的贵金属之外，多数为过渡金属化合物，这样就会改变阴离子的性质，从而改变了催化剂的整体活性，降低了催化剂的活性。

(三) 对氢能产业做出合理规划

为了化工产业的不断发展，就要积极开发各种新型能源，电解水制氢的任何一个环节都非常的重要，终端储存、应用、制备的每一个环节都是重要的组成部分。在前期的规划中要深度考虑氢能制备的细节，加强与其它领域共融的联系，当前电解水制氢的发展空间巨大，具有较大的发展潜力，为了推进各方协调，推动化工产业的发展，就要不断创新电解水制氢。

结论

    通过以上内容我们可知：随着工业化进程的不断发展，电解制水制氢得到广泛的应用，本文主要探讨了电解水制氢催化剂的研究概述、电解水溶液的研究进展、电解池的研究进展、优化策略与展望，希望本文内容能对相关单位和企业有所帮助，希望相关企业要不断创新新能源的研发，相关企业也要重视新能源的开发和研发。

参考文献

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