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本词条由Seo最近更新于2020.09.03 15:20，查看全部2个编审记录  电解水，是指水H₂O被直流电电解生成氢气和氧气的过程。 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。 电解水的化学反应式为：2H₂O（l）=2H₂（g）+O₂（g）。
历史介绍 电解水 装置组成最简单的电解水装置通常包括电源，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。 注意[2]： 电极（阳极必须为惰性电极，否则电极溶解而收集不到氧气，可以用铅电极） 电解液 (为增强水的电解性，可在水中加入少量稀硫酸、氢氧化钠固体(一般不加氢氧化钠溶液，容易起泡沫)、硫酸钠溶液、硝酸钾溶液等，但主要成分是水) 实际电解水装置中一般还包含交换膜，位于容器中央，用以阻隔阴阳两极产生的不同气体，但不阻隔离子在膜两侧的迁移。  简单电解水装置 反应原理电解水是一种电化学过程，通过电能作为驱动力将水分解为氢气与氧气。电解水的反应式如下图所示：  电解水化学反应式 在标准大气压和温度下，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0.00 V，因此在一个大气压和25℃下，电解水所需要的理论最小电压为1.23 V。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1.23 V，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1.23 V，而这部分多施加的电压被称为过电势[3]。实际电解过程中存在阳极极化( )、阴极极化( )、电解质传导电阻( )、电路中电子传导电阻( )，由此可得实际最小电解电压为： 此外，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，氢气产生量为氧气产生量的两倍，且产生的气体量与通过的电量成正比。但是，实际情况下，由于许多副反应的参与，法拉第效率会降低并产生一定量的副产物。 催化试剂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。例如两根石墨电极组成的电解池通常需要大于2 V的电压才能产生氢气和氧气，而两片不锈钢电极组成的电解池需要大约1.6-1.8V的电压就能产生氢气和氧气。因此，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。 水的电解由阴极析氢（Hydrogen Evolution Reaction, HER)和阳极析氧（Oxygen Evolution Reaction, OER）两个半反应构成，根据阴阳极反应的不同，将催化试剂分为析氢催化剂与析氧催化剂。 析氢催化剂1. 过渡元素金属的合金电极材料 (1)贵金属； (2)镍基材料，它包括镍金属，镍基合金，镍基复合材料，多孔镍等。大量文献曾报道过贵金属Pt族元素具有优异的电催化活性，其氢超电势低，但是贵金属价格昂贵，不能大量投入使用。因此，众多的研究者都致力于镍基材料的研究[4]。 2. 复合合金镀层电极材料 为了获得高催化活性的析氢电极，人们采用复合电沉积技术获得复合合金镀层。所谓复合合金镀层是指在基体金属(如Ni)中嵌入第二相的固体微粒而形成复合合金层，这是制备高催化活性电极材料的新方法。 3. 非晶态合金电极材料 与金属催化剂相比，非晶态合金催化剂具有许多独特的性能: (1) 在很大范围内改变合金的成分，达到所需的电子结构，形成最佳的电催化活性。 (2) 催化活性中心以单一形式(固熔体) 均匀分布在表面上，从而具有高的机械强度和卓越的耐腐蚀性，因而非晶态合是一种优良的、有前途的电极材料。 4. 稀土元素的合金电极材料 含有稀土元素的合金材料往往用作析氢电极材料。从水溶液中电沉积制备Ni-La合金，在25%NaOH溶液中析氢活性比Ni电极大大提高。采用合金电沉积和复合镀技术，将NiMo合金和稀土储氢合金交替的镀复到电极表面作析氢反应的催化层，稀土储氢元素的引入，不仅提高了电极对析氢反应的催化活性，而且增强了催化层的抗氧化能力，从而延长了电极的使用寿命[5]。 5. 纳米合金电极材料 纳米材料是由极细晶粒组成，特征维度尺寸在纳米数量级(1～100nm)的固体材料。由于它们在结构上表现出量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，因此具有独特的电子传递和电催化性能。用电沉积法可以十分经济而且简便地制得具有纳米级结构的纯金属，合金及金属- 陶瓷复合物，因而在电催化、储氢等方面表现出良好的应用前景。 析氧催化剂1. 贵金属氧化物催化剂 贵金属氧化物由于具有好的催化性能因此在催化领域具有广泛的应用。RuO 和 IrO 是目前水裂解阳极析氧反应的理想催化剂，上述两种催化剂不管是在酸性介质还是在碱性介质中都表新出好的析氧活性，尤其在碱性介质中，都能很大程度地降低析氧反应的过电位。唯一的问题是贵金属较为稀缺，成本较高。 2. 过渡金属氧化物催化剂 常见的用于析氧反应的过渡金属氧化物为镍基、铁基和钴基金属氧化物。通常而言，单过渡金属的氧化物的还有待提高，因此双过渡金属氧化物的研究也是研究 OER 催化材料的方式。常用的掺杂元素为 Fe、Mn、Cu 等过渡金属，通过元素的掺杂可以改变活性中心的电子结构，并且由于协同作用从而能够降低过电压[6]。 3. 无金属催化剂 近些年来，也有越来越多的非金属催化剂用于 OER 反应。其中碳材料尤为多见。碳材料由于具有三维结构、电导率高和比表面积大等特点，因此是替代贵金属（非贵金属催化剂）的很有前景的催化剂。碳材料从结构上分类可以分为碳球、一维碳纳米管、二维石墨烯等结构。其孔径上也是可调的，分为微孔、介孔和大孔孔径。虽然碳材料具有上述优点，但是由于缺乏足够的活性位点，因此与金属催化剂相比在催化活性和高电位下的稳定性还有一定的距离。 4. 过渡金属氮化物催化剂 范洪金老师和张华老师团队以NiCo
O
纳米阵列为原材料，通过原位生长 Co-Ni
N 外延异质结，所得的 Co-Ni
N 材料，因其纳米尺度的外延结构有利于异质结界面的电荷传输，表现出了优异的 OER 性能[6]。 工业应用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，电解水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。 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材料，但工作电流较低，镍钴铁复合材料作为阳极，镍基材料作为阴极，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 ℃，工作电流为0.2-0.4 A/cm ，氢气产生量为<760 N m /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 ℃，工作电流为0.6-2.0 A/cm ，氢气产生量大约为30 N m /h。 电解水工业化还处于发展阶段，仍有许多问题需要处理。比如，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步伐。 参考文献
同学科词条 电极极化 处于热力学平衡状态的电极体系（可逆电极），由于氧化反应和还原反应的速度相等，电荷交换与物质交换都处于动态平衡之中，因而净反应速率为零，电极上没有电流通过，即外电流等于零。这时的电位即为平衡电位。如果电极上有电流通过，有净反应发生，这表明电极失去了原有的平衡状态，这时电极电位将因此而偏离平衡电位，这种有电流通过时电极电位偏离平衡电位的现象就叫做电极极化。 质子交换膜燃料电池 质子交换膜燃料电池，使用一种能传导质子而几乎不能导通电子的聚合物电解质膜作为电解质，拥有运行温度低（约80 ℃）、能量转化率高、功率密度高、启动快和环境适应性强等优点，可广泛应用于航空、航天、航海、轨道交通、电子设备和备用电源等领域，特别是在新能源汽车领域，PEMFCs有着重要的应用价值。 燃料电池是一种清洁能源技术，它实际上是一种能将储存在燃料中的化学能直接转化为电能的能量转化装置。根据电解质的类型通常可分为碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell, AFC）、质子交换膜（Proton-exchange membrane fuel cell, PEMFC）、磷酸型燃料电池（Phos 三电极体系 三电极体系是电化学检测领域的重要技术。三电极体系中的三电极是指：工作电极、对电极以及参比电极。 热力学第三定律 热力学第三定律是热力学的四条基本定律之一，其描述的是热力学系统的熵在温度趋近于绝对零度时将趋于定值。而对于完整晶体而言，这个定值为零。由于这个定律是由瓦尔特·能斯特归纳得出后发表，因此又常被称为能斯特定理或能斯特假定。 随着统计力学的发展，这个定律正如其他热力学定律一样得到了各种解释，而不再只是由实验结果所归纳而出的经验定律。这个定律有适用条件的限制，虽然其应用范围不如热力学第一、第二定律广泛，但仍对很多学科有重要意义——特别是在物理化学领域。 比热容 比热容，简称比热，亦称比热容量，是热力学中常用的一个物理量，它指单位质量的某种物质升高或下降单位温度所吸收或放出的热量。比热容越大，物体的吸热或散热能力越强。 |
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