催化剂在AEM电解槽中的作用

催化电极作为阴离子交换膜（AEM）电解水电解槽中的核心组件，其表面作为电解水反应的发生区域，对提升整个系统的制氢效率，降低制氢成本至关重要，其作用可以概括为两方面：降低电解水制氢的反应能垒；提升电解水制氢反应的速率。

一、降低AEM制氢的反应能垒（过电位）
AEM电解水在碱性电解液（通常为2%~5% wt的KOH溶液）环境中进行，可以分为两个半反应：阴极的析氢反应（HER）和阳极的析氧反应（OER），具体的反应式如下：

阴极HER：
2H2O+2e-→H2​↑+2OH-
阳极OER：
4OH-→2H2​O+O2​↑+4e-

HER理论发生电压为0 V，OER理论发生电压为1.23 V，所以电解水理论上最少需要1.23 V的外加电压才能发生，但实际情况中，受限于以下几种因素的限制，操作电压往往远高于1.23 V(1.7-2.2 V乃至更高)：

1.电解液、催化电极、阴离子交换膜等材料自身电阻（欧姆过电位Eohm）
2.反应物在电极表面吸附和活化需要能量（活化过电位Eact）
3.H2或O2气泡或其它物质吸附在催化电极的表面不能及时排走，阻碍活性位点及电极表面附近的H+或OH-的浓度过低两方面影响反应的高效进行（传质过电位Emt）。

所以实际运行的电压（Vp）就是理论电压加上上述三项过电位即
Vp=1.23 V+Eohm+Eact+Emt

性能优异的催化剂和必要的结构设计就是降低过电位，减少制氢能耗的必经之路。

1.1降低Eohm
降低Eohm就是要降低反应时电荷传输的阻力，即使系统中电荷传输路径上各组件的电阻在满足需求的前提下尽可能小。一定浓度的KOH离子溶液确保了电荷在电解液中的快速传导，而在催化剂设计上，通常制备导电性强的活性物质作为催化剂或将活性物质与高导电性物质复合而提升催化剂整体的电荷传输能力。为催化剂构建多孔、纳米线、核壳等微观三维结构也能有效缩短电子传输路径；如在电化学反应中经常采用NiMo、CuCo等高导电性的合金材料作为催化剂；作为HER基准催化剂的Pt/C则是将Pt与高导电性的碳单质进行复合使电极具备优异的电荷传导能力；常用作AEM阳极催化剂的Ni Fe层状氢氧化物(NiFe-LDH)，微观上为纳米片状结构，这样的结构使其活性位点更充分暴露的同时也为电子的传导拓宽了路径，减小了阻力。

膜电极制备工艺上，将催化剂负载到镍毡，碳布等高导电性支撑基底上也是同样的道理。

必要的电解槽结构设计也是减小电荷传输阻力的必备要素，AEM电解槽中，催化电极与阴离子交换膜是紧密贴合的，最大限度上缩短了电荷和物质的传输路径。

1.2降低Eact
电化学反应的微观过程一般遵循如下路径：反应物通过扩散或电场驱动吸附在电极表面的活性位点上→电荷从电极转移至反应物→化学键的断裂与形成→产物从电极表面脱附。催化剂的核心功能便体现在降低反应物在电极表面的吸附及活化能垒上。催化剂表面特殊的电子结构及几何构型会使其对目标分子有着较低的吸附能即更容易对目标分子进行吸附，进行电荷转移，促使旧化学键断裂和新化学键的形成。

Pt是一种运用非常广泛的催化剂，被应用在多种催化场景中，在AEM的碱性电解水中，Pt/C更是一种基准的阴极HER催化剂，独特的表面电子结构使其更容易吸附H2O分子，进行电荷传导，使H2O裂解成OH-和H+，并最终在表面的活性的Pt位点上将两个H+键合生成H2。

阳极OER作为一个四电子转移的反应，过程更为复杂，所需的能垒也更高，更需要高效的催化剂提升OER效率。Ni Fe-LDH是AEM阳极现在常用的一种催化剂，进行电化学活化及表面重构后形成的NiOOH和FeOOH，表面电子结构重调，协同作用下，能高效的吸附经AEM扩散到阳极附近的OH-，进行OER反应产生O2。

1.3降低Emt
Emt主要受到反应过程中活性物质传递过程的影响，在反应过程中需要确保反应物或产物尽可能快速的在电极表面吸附或排出。

催化剂通过合理的组分及结构设计，能很大程度上加速反应物的吸附及产物的排出。吸附如同上文所讲，特定的组分构成形成特定的电极表面电子结构，进而改善对目标反应物的吸附能；催化剂的微观几何结构也影响巨大，纳米粒、层状、花状、核壳等结构为催化剂提供了较大的比表面积去暴露更多的活性位点，意味着电极表面有着更多可以进行吸附和反应的场所。

同时，这些独特的几何结构使电极表面具有一定的粗糙度，为气泡的形成也留有足够的空间，两者都有利于H2/O2的扩散和排出。另外，电堆紧密贴合的结构设计、多孔结构的扩散层也很大程度上改善了物质的传输路径和气体的扩散。

二、提升AEM系统制氢速率
性能优异的催化剂在降低电解水反应能垒的同时往往都伴随着较高的反应速率。其工作原理和上述类似：

1.合理的组分构成确保催化剂对H2O或OH-的吸附能处于一个较低水平，使反应物能容易快速的吸附在表面活性位点上开始反应。
2.催化剂的高导电性确保电荷在电极与反应物之间的快速传导，促进化学键的断裂与形成。
3.独特微观几何结构提供的高比表面积使大量的活性位点暴露在表面，相当于电极在单位面积及单位时间内有大量可以进行电解水反应的位点。
4.多孔扩散层和催化剂几何结构共同作用使产生的气体能快速的从电极表面扩散排出，活性位点不会因气体的阻碍失去活性。
5.电解槽紧密贴合的结构设计降低了界面的接触电阻，缩短了物质传输路径，使电荷及活性物质有较高的传输速率。

审核编辑 黄宇