催化電極作為陰離子交換膜（AEM）電解水電解槽中的核心組件，其表面作為電解水反應(yīng)的發(fā)生區(qū)域，對(duì)提升整個(gè)系統(tǒng)的制氫效率，降低制氫成本至關(guān)重要，其作用可以概括為兩方面：降低電解水制氫的反應(yīng)能壘；提升電解水制氫反應(yīng)的速率。

一、降低AEM制氫的反應(yīng)能壘（過(guò)電位）
AEM電解水在堿性電解液（通常為2%~5% wt的KOH溶液）環(huán)境中進(jìn)行，可以分為兩個(gè)半反應(yīng)：陰極的析氫反應(yīng)（HER）和陽(yáng)極的析氧反應(yīng)（OER），具體的反應(yīng)式如下：

陰極HER：
2H2O+2e-→H2?↑+2OH-
陽(yáng)極OER：
4OH-→2H2?O+O2?↑+4e-

HER理論發(fā)生電壓為0 V，OER理論發(fā)生電壓為1.23 V，所以電解水理論上最少需要1.23 V的外加電壓才能發(fā)生，但實(shí)際情況中，受限于以下幾種因素的限制，操作電壓往往遠(yuǎn)高于1.23 V(1.7-2.2 V乃至更高)：

1.電解液、催化電極、陰離子交換膜等材料自身電阻（歐姆過(guò)電位Eohm）
2.反應(yīng)物在電極表面吸附和活化需要能量（活化過(guò)電位Eact）
3.H2或O2氣泡或其它物質(zhì)吸附在催化電極的表面不能及時(shí)排走，阻礙活性位點(diǎn)及電極表面附近的H+或OH-的濃度過(guò)低兩方面影響反應(yīng)的高效進(jìn)行（傳質(zhì)過(guò)電位Emt）。

所以實(shí)際運(yùn)行的電壓（Vp）就是理論電壓加上上述三項(xiàng)過(guò)電位即
Vp=1.23 V+Eohm+Eact+Emt

性能優(yōu)異的催化劑和必要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是降低過(guò)電位，減少制氫能耗的必經(jīng)之路。

1.1降低Eohm
降低Eohm就是要降低反應(yīng)時(shí)電荷傳輸?shù)淖枇?，即使系統(tǒng)中電荷傳輸路徑上各組件的電阻在滿足需求的前提下盡可能小。一定濃度的KOH離子溶液確保了電荷在電解液中的快速傳導(dǎo)，而在催化劑設(shè)計(jì)上，通常制備導(dǎo)電性強(qiáng)的活性物質(zhì)作為催化劑或?qū)⒒钚晕镔|(zhì)與高導(dǎo)電性物質(zhì)復(fù)合而提升催化劑整體的電荷傳輸能力。為催化劑構(gòu)建多孔、納米線、核殼等微觀三維結(jié)構(gòu)也能有效縮短電子傳輸路徑；如在電化學(xué)反應(yīng)中經(jīng)常采用NiMo、CuCo等高導(dǎo)電性的合金材料作為催化劑；作為HER基準(zhǔn)催化劑的Pt/C則是將Pt與高導(dǎo)電性的碳單質(zhì)進(jìn)行復(fù)合使電極具備優(yōu)異的電荷傳導(dǎo)能力；常用作AEM陽(yáng)極催化劑的Ni Fe層狀氫氧化物(NiFe-LDH)，微觀上為納米片狀結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)使其活性位點(diǎn)更充分暴露的同時(shí)也為電子的傳導(dǎo)拓寬了路徑，減小了阻力。

膜電極制備工藝上，將催化劑負(fù)載到鎳氈，碳布等高導(dǎo)電性支撐基底上也是同樣的道理。

必要的電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是減小電荷傳輸阻力的必備要素，AEM電解槽中，催化電極與陰離子交換膜是緊密貼合的，最大限度上縮短了電荷和物質(zhì)的傳輸路徑。

1.2降低Eact
電化學(xué)反應(yīng)的微觀過(guò)程一般遵循如下路徑：反應(yīng)物通過(guò)擴(kuò)散或電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)吸附在電極表面的活性位點(diǎn)上→電荷從電極轉(zhuǎn)移至反應(yīng)物→化學(xué)鍵的斷裂與形成→產(chǎn)物從電極表面脫附。催化劑的核心功能便體現(xiàn)在降低反應(yīng)物在電極表面的吸附及活化能壘上。催化劑表面特殊的電子結(jié)構(gòu)及幾何構(gòu)型會(huì)使其對(duì)目標(biāo)分子有著較低的吸附能即更容易對(duì)目標(biāo)分子進(jìn)行吸附，進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移，促使舊化學(xué)鍵斷裂和新化學(xué)鍵的形成。

Pt是一種運(yùn)用非常廣泛的催化劑，被應(yīng)用在多種催化場(chǎng)景中，在AEM的堿性電解水中，Pt/C更是一種基準(zhǔn)的陰極HER催化劑，獨(dú)特的表面電子結(jié)構(gòu)使其更容易吸附H2O分子，進(jìn)行電荷傳導(dǎo)，使H2O裂解成OH-和H+，并最終在表面的活性的Pt位點(diǎn)上將兩個(gè)H+鍵合生成H2。

陽(yáng)極OER作為一個(gè)四電子轉(zhuǎn)移的反應(yīng)，過(guò)程更為復(fù)雜，所需的能壘也更高，更需要高效的催化劑提升OER效率。Ni Fe-LDH是AEM陽(yáng)極現(xiàn)在常用的一種催化劑，進(jìn)行電化學(xué)活化及表面重構(gòu)后形成的NiOOH和FeOOH，表面電子結(jié)構(gòu)重調(diào)，協(xié)同作用下，能高效的吸附經(jīng)AEM擴(kuò)散到陽(yáng)極附近的OH-，進(jìn)行OER反應(yīng)產(chǎn)生O2。

1.3降低Emt
Emt主要受到反應(yīng)過(guò)程中活性物質(zhì)傳遞過(guò)程的影響，在反應(yīng)過(guò)程中需要確保反應(yīng)物或產(chǎn)物盡可能快速的在電極表面吸附或排出。

催化劑通過(guò)合理的組分及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能很大程度上加速反應(yīng)物的吸附及產(chǎn)物的排出。吸附如同上文所講，特定的組分構(gòu)成形成特定的電極表面電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善對(duì)目標(biāo)反應(yīng)物的吸附能；催化劑的微觀幾何結(jié)構(gòu)也影響巨大，納米粒、層狀、花狀、核殼等結(jié)構(gòu)為催化劑提供了較大的比表面積去暴露更多的活性位點(diǎn)，意味著電極表面有著更多可以進(jìn)行吸附和反應(yīng)的場(chǎng)所。

同時(shí)，這些獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)使電極表面具有一定的粗糙度，為氣泡的形成也留有足夠的空間，兩者都有利于H2/O2的擴(kuò)散和排出。另外，電堆緊密貼合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多孔結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散層也很大程度上改善了物質(zhì)的傳輸路徑和氣體的擴(kuò)散。

二、提升AEM系統(tǒng)制氫速率
性能優(yōu)異的催化劑在降低電解水反應(yīng)能壘的同時(shí)往往都伴隨著較高的反應(yīng)速率。其工作原理和上述類似：

1.合理的組分構(gòu)成確保催化劑對(duì)H2O或OH-的吸附能處于一個(gè)較低水平，使反應(yīng)物能容易快速的吸附在表面活性位點(diǎn)上開始反應(yīng)。
2.催化劑的高導(dǎo)電性確保電荷在電極與反應(yīng)物之間的快速傳導(dǎo)，促進(jìn)化學(xué)鍵的斷裂與形成。
3.獨(dú)特微觀幾何結(jié)構(gòu)提供的高比表面積使大量的活性位點(diǎn)暴露在表面，相當(dāng)于電極在單位面積及單位時(shí)間內(nèi)有大量可以進(jìn)行電解水反應(yīng)的位點(diǎn)。
4.多孔擴(kuò)散層和催化劑幾何結(jié)構(gòu)共同作用使產(chǎn)生的氣體能快速的從電極表面擴(kuò)散排出，活性位點(diǎn)不會(huì)因氣體的阻礙失去活性。
5.電解槽緊密貼合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低了界面的接觸電阻，縮短了物質(zhì)傳輸路徑，使電荷及活性物質(zhì)有較高的傳輸速率。

審核編輯 黃宇