在綠色能源轉(zhuǎn)型的浪潮中，水電解制氫作為連接可再生能源與終端應(yīng)用的關(guān)鍵橋梁，正受到前所未有的關(guān)注。作為深耕以水電解制氫設(shè)備研發(fā)與制造為代表的氫基能源企業(yè)，中集中電始終聚焦于這一核心技術(shù)的突破與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。今天，我們將與您一同潛入電解水的微觀秘境，解鎖原子與電子間協(xié)同運作的反應(yīng)密碼，探尋這項承載著百年積淀的技術(shù)，何以在當(dāng)下成為推動能源革命的關(guān)鍵力量，以及我們?nèi)绾瓮ㄟ^持續(xù)創(chuàng)新，在這場“分子舞蹈”中扮演重要的編排者與推進者。

核心原理

一次“電子搬家”驅(qū)動的分子拆解

電解水的本質(zhì)，是電能驅(qū)動下的、非自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)。水分子（H?O）本身非常穩(wěn)定，要拆開它需要能量。電解過程，就是通過外加電場，為水分子提供能量，并引導(dǎo)電子（e-）完成一次精準(zhǔn)的“定向搬遷”，從而拆解分子。它的總反應(yīng)式看似簡單：

2H?O → 2H? + O?

但在這個宏觀現(xiàn)象之下，是兩個精心設(shè)計、在不同電極表面獨立進行的半反應(yīng)。這兩個反應(yīng)被離子導(dǎo)體（電解液）連接，共同構(gòu)成一個完整的電荷與物質(zhì)循環(huán)。

陰極——氫氣的“誕生地”

析氫反應(yīng)（HER）作為電解水的陰極反應(yīng)，其理論電勢為0 V，但實際應(yīng)用中往往涉及多余的能量損耗，需要引入活化能促使析氫反應(yīng)發(fā)生。

HER的動力學(xué)主要包括兩個步驟：

（1）吸附氫原子（H*）的形成（Volmer）；

（2）H*的伴隨結(jié)合生成H2分子（Heyrovsky或者Tafel）。

不同的反應(yīng)環(huán)境具有不同的反應(yīng)路徑，如下所示：

酸性電解液中：

H3O＋ + e- + * → H* + H?O（Volmer）(1-2)

H+ + e- +H* → H?（Heyrovsky）(1-3)

或2 H* → H?（Tafel）(1-4)

中性和堿性電解液中：

H?O + e- → OH- + H*（Volmer）(1-5)

H* + e- + H?O → H? + OH-（Heyrovsky）(1-6)

或2 H* → H?（Tafel）(1-7)

對比不同介質(zhì)中的析氫機理，可發(fā)現(xiàn)酸性或堿性條件下均會發(fā)生Volmer反應(yīng)，而氫脫附反應(yīng)則由催化劑性能決定。綜上所述，析氫反應(yīng)機制為Volmer-Heyrovsky和Volmer-Tafel兩種過程。

陽極——更復(fù)雜、更關(guān)鍵的“瓶頸”

析氧反應(yīng)（OER）是電催化分解水過程中的關(guān)鍵步驟，目前普遍認為其存在兩種主要機理，其中一種是較為傳統(tǒng)的吸附物主導(dǎo)機制（AEM），該機制通過過渡金屬活性中心上的協(xié)同電子–質(zhì)子轉(zhuǎn)移序列進行。在這一機制中，中間體M-OH最初由氫氧根離子（OH-）在單電子氧化作用下于表面金屬位點（M）上形成，并作為催化活性位點。隨后，M-OH經(jīng)過電子轉(zhuǎn)移和質(zhì)子耦合步驟轉(zhuǎn)化為M-O。當(dāng)氫氧根離子再次經(jīng)歷單電子氧化時，M-O進一步轉(zhuǎn)化為M-OOH，最終通過另一個電子轉(zhuǎn)移和質(zhì)子耦合過程生成O2。AEM過程在酸性和堿性條件下的OER反應(yīng)機理存在顯著差異。

在酸性條件下：

H?O + * → OH* + H+ + e- （2?1）

OH* → O* + H+ + e– （2?2）

O* + H?O → OOH* + H+ + e– （2?3）

OOH* → O?* + H+ + e– （2?4）

O?* → O? + * （2?5）

總反應(yīng)為：2H?O → O? + 4H+ + 4e– （2?6）

在堿性條件下：

OH– → OH* + e– （2?7）

OH* → O* + H+ + e– （2?8）

2O* → O? + * （2?9）

總反應(yīng)為：4OH– → O? + 2H?O + 4e– （2?10）

圖1 OER反應(yīng)機理（其中紅線為酸性O(shè)ER過程，淺藍線為堿性O(shè)ER過程，深藍線表示兩個相鄰的M–O直接生成氧氣的過程）

相較于傳統(tǒng)吸附演化機制，近年來興起的晶格氧介導(dǎo)機制（LOM）為OER機理研究開辟了全新視角。與AEM不同，LOM機制指出，OER過程中生成的氧氣既可能源自電解液中的水分子，也可能由催化劑晶格氧原子直接參與O-O鍵構(gòu)建而來。這一創(chuàng)新機制打破了AEM的傳統(tǒng)理論框架，為闡釋部分固相催化劑展現(xiàn)出的超高催化活性提供了更貼合實際的理論支撐。

從反應(yīng)動力學(xué)角度分析，LOM機制突破了AEM中O-O鍵形成這一決速步的制約，進而呈現(xiàn)出顯著的動力學(xué)優(yōu)勢。相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，基于LOM機制的OER催化性能較傳統(tǒng)AEM機制提升3~5倍，充分彰顯了該機制在催化效率提升方面的突破性價值。需要強調(diào)的是，LOM機制的具體反應(yīng)路徑會隨電解液環(huán)境的改變而發(fā)生適應(yīng)性調(diào)整。

在酸性體系中，水分子更易吸附于催化劑表面氧空位鄰近的金屬活性位點，隨后通過作用于氧空位實現(xiàn)晶格氧的活化，最終完成O-O鍵的形成與氧氣釋放，同時實現(xiàn)氧空位的再生循環(huán)。而在堿性環(huán)境下，羥基離子首先吸附于氧空位附近的金屬位點，緊接著另一個羥基離子在氧空位處發(fā)生脫氫反應(yīng)，最終借助氧空位的介導(dǎo)作用形成O-O鍵并釋放氧氣。無論處于酸性還是堿性體系，LOM機制的核心特征均為催化劑晶格氧直接參與OER反應(yīng)進程，而非依賴表面吸附中間體的轉(zhuǎn)化過程。這一獨特特性不僅為深入理解OER反應(yīng)本質(zhì)提供了全新的理論維度，更為高效OER催化劑的設(shè)計提供了新思路。通過精準(zhǔn)調(diào)控催化劑的晶格氧活性，有望進一步優(yōu)化OER 反應(yīng)動力學(xué)性能，從而助力水電解制氫技術(shù)邁向?qū)嵱没码A段。

圖2 吸附析出機理（AEM）和晶格氧機理（LOM）示意圖

純水在25°C下的理論分解電壓是1.23 V。從熱力學(xué)上看，這意味著只要提供高于1.23 V的電壓，反應(yīng)就應(yīng)發(fā)生。但在現(xiàn)實中，電解槽的實際工作電壓通常高達1.8-2.2V，甚至更高。這多出來的部分，就是能量損耗，主要來自：

過電位：克服電極反應(yīng)能壘所需的“額外推力”，尤其是陽極的析氧反應(yīng)過電位最高，中性電解液的過電位顯著高于酸性和堿性。

歐姆損耗：電解液、連接部件的自身電阻導(dǎo)致的發(fā)熱損耗，中性電解液的歐姆損耗通常最大（離子濃度低、傳導(dǎo)效率差）。

未來方向：從核心突破到多元創(chuàng)新

基于原理的深刻瓶剖析，指明了技術(shù)進化的三大核心方向，既直擊現(xiàn)存痛點，又拓展應(yīng)用邊界：

1.催化劑革新：突破“高過電位”與“高成本”雙重枷鎖

當(dāng)前電解水制氫的核心瓶頸之一，是陽極析氧反應(yīng)的高過電位和貴金屬催化劑的依賴。未來研發(fā)將聚焦開發(fā)非貴金屬催化劑，如過渡金屬氧化物、硫化物、磷化物等，通過調(diào)控晶體結(jié)構(gòu)、電子態(tài)和活性位點，提升催化活性與穩(wěn)定性，替代銥、釕等稀有貴金屬，大幅降低材料成本。

2.海水電解制氫：破解“淡水資源依賴”難題

全球淡水資源稀缺，而海水儲量豐富，海水電解制氫是實現(xiàn)氫能規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵路徑。

3.電解水制氫耦合氧化：實現(xiàn)“制氫+高值產(chǎn)物”雙贏

傳統(tǒng)電解水陽極僅發(fā)生析氧反應(yīng)，產(chǎn)物單一且能耗偏高。未來可通過“耦合氧化反應(yīng)”重構(gòu)陽極過程：用低能壘的有機小分子氧化（如甲醇、乙二醇、甘油氧化）、生物質(zhì)氧化或工業(yè)廢水中污染物氧化，替代高能耗的析氧反應(yīng)。此舉不僅能降低陽極過電位，減少整體電解能耗，還能同步生成甲醛、乙醛、有機酸等高附加值化學(xué)品，或?qū)崿F(xiàn)廢水無害化處理。讓電解水制氫從“單一產(chǎn)氫”升級為“能源與資源協(xié)同利用”的多元系統(tǒng)。

總結(jié)

從外加電場驅(qū)動電子遷移，到離子在電解質(zhì)中穿梭完成電荷循環(huán)，再到催化劑表面精準(zhǔn)的分子鍵斷裂與重組——電解水制氫，是一場在微觀尺度上被精密編排的“分子舞蹈”。理解它，不僅讓我們驚嘆于科學(xué)的力量，更能看清技術(shù)突破的方向。

中集中電，正是這場“分子舞蹈”的堅定實踐者與創(chuàng)新者。我們通過持續(xù)深化對基礎(chǔ)機理的理解，將原理層面的認知轉(zhuǎn)化為與核心供應(yīng)商在電極、催化劑、膜材料乃至整機系統(tǒng)的共同創(chuàng)新設(shè)計。當(dāng)綠色電力驅(qū)動這場舞蹈規(guī)模化、多元化上演時，我們期待以更高效、更經(jīng)濟、更可靠的制氫設(shè)備，助力氫能真正成為全球能源轉(zhuǎn)型的核心支柱。探索不息，創(chuàng)新不止，中集中電與您一同見證并推動綠色氫能時代的到來。

中集中電提供以堿性水電解制氫為主的氫基能源全套設(shè)備，包括集裝箱化撬裝制氫工廠、中壓電解槽、常壓電解槽、BOP 系統(tǒng)，產(chǎn)品覆蓋10Nm3/h~4000Nm3/h 全系列；提供合成氨、合成甲醇等化工撬裝模塊，產(chǎn)品覆蓋 1kt/a~50kt/a；提供風(fēng)光綠電+儲能+制氫合成氨/合成甲醇/冶金、制加氫一體站、海上能源島等一體化解決方案，包括系統(tǒng)配置、經(jīng)濟測算、運行策略等。提供水電解制氫項目專業(yè)運維服務(wù)，包括設(shè)備調(diào)試運行、檢修維護、全生命周期設(shè)備健康管理等。