于 洲, 林雨红, 李玉蓉, 孙智慧, 吕欣玫, 赵 震,3

(1. 沈阳师范大学 化学化工学院, 沈阳 110034; 2. 沈阳师范大学 能源与环境催化研究所, 沈阳 110034;3. 中国石油大学 重质油国家重点实验室, 北京 102249)

0 引 言

随着人类生活水平的不断提高以及现代工业世界对传统化石燃料的过度消耗,人类社会正日益面临能源危机和环境污染的双重压力[1]。因此,寻找可再生的清洁能源对人类未来发展至关重要。氢能作为一种高效的能源载体,在所有化学燃料中具有最高的能量密度(142 MJ·kg-1),被认为是最有前途的可再生绿色能源[2]。而在多种氢气制备方法中,电催化分解水技术是获得高纯度氢气的最有效解决途径之一。

电催化分解水反应包含2个半反应:分别是析氧反应(OER)和析氢反应(HER)。无论在酸性或碱性电解液中,一般认为HER是一个双电子转移过程,涉及3个可能的反应步骤(Volmer反应,Heyrovsky反应和Tafel反应)[3]。在酸性溶液中的HER是从电化学氢吸附开始的,通过质子和电子的反应在电极表面生成吸附氢原子(H*)(Volmer步骤, (1))。然后,可通过H*与H+和电子的反应(Heyrovsky步骤,(2))或两个H*在电极表面的组合(Tafel步骤,(3))来产生H2[4]。在碱性介质中,HER从分解H2O分子开始提供质子,包括Volmer步骤(4)和Heyrovsky步骤(5),而Tafel步骤(6)与酸性溶液相比没有明显变化[5,6]。

在酸性介质中:

在碱性介质中:

OER涉及4个电子转移过程,相比于HER要更为复杂[7]。第一步是通过第一次电子转移在催化剂表面形成吸附的OH*(机制7, 11)。第二步是将OH*转化为O*(机制8, 12)。第三步是将O*与另一个水分子或OH-结合转化为OOH*(机制9, 13)。最后一步就是生成O2(机制10, 14)。……