碱性电解水制氢原理及其催化剂的作用

碱性电解水制氢（Alkaline Water Electrolysis, AWE）是目前技术最成熟、商业化应用最广泛的绿氢制备技术之一，其核心是在碱性电解质（如KOH、NaOH溶液）环境中，通过外加电能驱动水分子分解为氢气（H₂）和氧气（O₂）。该技术具有成本低、设备兼容性强、操作稳定等优势，而催化剂是降低电解能耗、提升反应速率和延长设备寿命的关键核心材料。

一、碱性电解水制氢的基本原理

碱性电解水系统的核心组件包括阴极（析氢电极）、阳极（析氧电极）、碱性电解质溶液和离子交换膜（或隔膜），整体通过“阴极析氢反应（HER）”和“阳极析氧反应（OER）”两个半反应协同完成水的分解，具体过程如下：

1. 系统结构与离子迁移

电解质：通常为20%-30%的KOH水溶液（导电性优于 NaOH，且腐蚀性更低），提供OH⁻作为电荷载体；

隔膜：多为石棉膜、多孔聚合物膜（如PP/PE），作用是分隔阴极生成的H₂和阳极生成的O₂（避免混合爆炸），同时允许OH⁻在两极间迁移；

离子迁移方向：在外加电场作用下，电解质中的OH⁻从阴极向阳极移动（补充阳极反应消耗的OH⁻），电子通过外电路从阳极流向阴极（形成电流回路）。

2. 核心半反应（总反应与两极反应）

碱性电解水的总反应是水分子分解为H₂和O₂，具体可拆解为阴极和阳极的两个半反应，反应条件为“通电 + 碱性环境”：

3. 关键特征：与酸性电解水的核心差异

碱性电解水与质子交换膜（PEM）电解水（酸性环境）的核心区别在于“电解质类型”和“电荷载体”，直接影响反应路径和材料选择：

电荷载体：AWE中是OH⁻（碱性），PEM中是H⁺（酸性）；

电极材料要求：AWE的碱性环境可避免酸性对金属的腐蚀，因此可使用低成本金属（如镍基材料），而PEM需用耐酸的贵金属（如铂、铱）；

反应动力学：OER在碱性环境中的反应能垒更低（相比酸性），但HER动力学稍弱，因此需通过催化剂分别优化两极反应。

二、催化剂在碱性电解水制氢中的重要作用

电解水反应（尤其是OER）存在较高的活化能垒——若不使用催化剂，反应需在极高电压（＞1.8V，远高于理论分解电压1.23V）下才能发生，导致能耗过高、效率低下（能量转化效率＜60%）。催化剂的核心作用是“降低反应活化能、加速电子转移、优化反应路径”，具体体现在以下4个关键方面：

1. 降低电解电压，减少能耗（核心价值）

电解水的实际电压由三部分组成：理论分解电压（1.23V，热力学定值）、活化过电压（由反应动力学决定）、欧姆过电压（由电解质/电极电阻决定）。其中，活化过电压是能耗的主要来源（占总过电压的60%-80%），而催化剂可直接降低活化过电压：

l 无催化剂时，AWE 的实际电解电压需达到1.8-2.2V，此时制氢能耗高达6-7 kWh/Nm³ H₂；

l 加入高效催化剂（如阴极用Ni-Mo合金、阳极用Ni-Fe氧化物）后，活化过电压可降低0.2-0.5V，实际电解电压降至1.6-1.8V，能耗降至4.5-5.5 kWh/Nm³ H₂，能耗降低约 20%-30%。

l 催化剂通过提供“活性位点”，改变反应中间产物的吸附/脱附能（如HER中吸附H原子的能垒、OER中吸附O物种的能垒），使反应更易发生——例如，Ni基催化剂对H的吸附能接近“火山图”最优值（既不过强导致H难以脱附，也不过弱导致H吸附不足），可显著加速HER。

2. 加速反应速率，提升制氢效率

电解水的反应速率直接决定制氢设备的“产氢强度”（单位面积电极的H₂产量）。未加催化剂时，即使施加高电压，两极反应速率仍极低（如OER中OH⁻氧化为O₂的步骤缓慢，成为整个反应的“瓶颈”）。而催化剂可通过以下方式加速反应：

l 增加活性位点数量：催化剂通常为纳米级多孔结构（如NiFe₂O₄纳米片、MoS₂纳米颗粒），比表面积可达100-500m²/g，提供大量可供反应发生的“活性中”；

l 优化电子转移路径：催化剂的金属/金属氧化物组分具有优异的导电性，可促进电子在电极与反应物种（H₂O、OH⁻）之间的转移，减少电子传递阻力（如Ni-Mo合金的导电性比纯Ni高3-5倍，加速HER电子转移）。

工业级AWE设备中，使用Ni-Fe-O阳极催化剂后，OER反应速率可提升10-100倍，使电极整体电流密度从0.1A/cm²提升至0.5-1A/cm²，设备体积可缩小50%以上（相同产能下）。

3. 抑制副反应，提高产物纯度与设备寿命

碱性电解水体系中，若无催化剂或催化剂选择性差，易发生副反应：

l 阳极可能发生“碳酸盐生成反应”（若空气中CO₂进入系统，与OH⁻反应生成CO₃²⁻，覆盖电极表面）；

l 阴极可能发生“金属腐蚀反应”（高浓度KOH在高温下可能腐蚀电极基体）；

l 两极均可能发生“析气不均匀”（导致气泡附着在电极表面，形成“气泡电阻”，进一步增加能耗）。

高效催化剂可通过“选择性吸附反应”抑制副反应：

l Ni-Fe-O催化剂对OH⁻的吸附选择性远高于CO₃²⁻，可减少碳酸盐在阳极的沉积；

l 阴极Ni-Mo催化剂可在电极表面形成稳定的钝化膜（如MoO₃），阻止KOH对基体的腐蚀；

l 催化剂的多孔结构还能促进气泡脱附（减少气泡附着），降低气泡电阻，延长电极使用寿命（从数千小时提升至1万小时以上）。

4. 降低成本，推动碱性电解槽商业化规模化应用

碱性电解水制氢的核心优势之一是“低成本”，而催化剂是实现这一优势的关键：

l 替代贵金属：在酸性PEM电解水中，HER需用铂（Pt）、OER需用铱（Ir），成本极高；而AWE的催化剂可基于镍（Ni）、铁（Fe）、钼（Mo）等低成本金属，催化剂成本仅为PEM的1/10-1/100；

l 提升材料利用率：通过纳米化、负载化（如将NiFe₂O₄负载在碳纳米管上），可在减少催化剂用量（从传统的10mg/cm²降至1-2mg/cm²）的同时保持高活性，进一步降低成本；

l 适配低纯度水：高效催化剂（如Ni基）可耐受低纯度原料水（如工业废水、光伏制水）中的杂质（如Cl⁻、SO₄²⁻），无需复杂的水纯化系统，降低整体设备投资（比PEM电解水低30%-50%）。

三、中科轩达碱性电解水制氢催化剂简介

中科轩达催化剂具有包覆形貌和稳定骨架结构、成分均匀、流动性好、易于加工、催化活性高及使用寿命长等特点，适用于碱性电解水制氢，可显著提升制氢效率并降低能耗。

催化剂粉状形态易于均匀喷涂于镍网基材，形成稳定催化层，确保长期运行的高活性与耐久性，适用于工业制氢。公司碱性电解水制氢催化剂目前主要有镍铝合金粉催化剂和镍基合金粉陶瓷催化剂。

镍铝合金粉催化剂

镍基合金粉陶瓷催化剂

本公司催化剂产品的突出优势主要表现为：

（1）包覆形貌与稳定骨架：通过包覆结构保护活性组分，防止电解液渗透导致的腐蚀，同时稳定的骨架确保长期运行中结构完整性，延长使用寿命。

（2）成分均匀性与流动性：粉体成分高度均一，流动性优异，可实现镍网基材上的均匀喷涂，形成致密且高活性的催化层，避免局部热点或活性衰减。

（3）工业化适配性：粉体形态与喷涂工艺兼容现有工业设备，简化生产流程，降低规模化应用成本，满足工业制氢对可靠性和经济性的双重需求。

（4）定制催化剂解决方案：可根据用户要求生产不同Ni、Al含量的镍铝合金催化剂及不同氧化物含量的陶瓷催化剂，可根据用户需要生产不同粒度要求和粒度分布的催化剂粉末。

总之，碱性电解水制氢的本质是“电能驱动下的水分解反应”，其核心挑战在于克服反应活化能垒、降低能耗；而催化剂通过降低活化过电压、加速反应速率、抑制副反应等来降低成本，成为决定该技术效率、经济性和规模化的“核心命脉”。随着催化剂技术的不断突破，碱性电解水制氢的能耗有望进一步降至4kWh/Nm³以下，成本接近化石能源制氢，为全球绿氢产业的发展提供关键支撑。