钛电极网电解水制氢新技术

通过电解水制氢应该是最简单的方法。 水资源丰富，水中只含有氢和氧。 产生的氢气和氧气纯度较高。 氢气和氧气都是重要的工业原料。 然而，传统的电解水制氢方法耗电量太大，成本高昂。 这种方法在制氢行业中所占比例较小。 因此，科学家们一直在寻找电解水制氢的新方法。 总体目标是降低成本和更简单的方法。 技术路线的方向是阳极和阴极材料对水离子的分离起到催化作用，同时还利用离子膜技术让离子向一个方向移动。

传统的电解水制氢方法有几个特点。 阳极和阴极均采用Ni-Mo合金制成，起到催化作用。 隔离膜由石棉制成，阴极侧由碱水制成。 该方法简单，工艺成熟，但成本过高，制氢效率不高。 2014年，加拿大一家公司提出离子交换膜技术（简称PEM），性能优异并正式投产，综合效率达到74%~87%。 在PEM技术中，水中的氢离子穿过质子交换膜并与电子结合成为氢原子，氢原子彼此结合形成氢分子。 该技术可在中、大电流、高电压下工作，启停快速方便。 该技术在工业制氢中占有重要地位。

下面是PEM技术的工作原理示意图。

PEM水电解槽的主要部件从内到外依次为质子交换膜、阴极和阳极催化层、阴极和阳极气体扩散层、阴极和阳极端板等。扩散层、催化层和质子交换层 膜构成膜电极，是整个水电解槽中物质传输和电化学反应的主要场所。 膜电极的特性和结构直接影响PEM水电解槽的性能和寿命。 目前使用的质子交换膜大多为全氟磺酸膜，制备工艺复杂。 质子交换膜的价格高达数百至数千美元/平方米。 为了降低成本，人们正在尝试开发新材料。 交换膜对于降低成本很重要。 目前的研究方向为改性全氟磺酸质子交换膜、有机/无机纳米复合质子交换膜和无氟质子交换膜。 降低电催化剂的成本也很重要。 电催化剂一直处于强酸性环境，容易出现腐蚀、结块、流失等问题。 如今普遍使用“钯”（又称“铂”），开发能适应酸性环境的非贵金属析氢催化剂已成为研究热点。 膜电极对于降低成本也很重要。 目前主流的制备方法是将催化剂活性组分直接涂覆在质子交换膜的两侧。 大力发展可再生能源（风能、太阳能、水电）制氢，这是一种绿色低碳的制氢方式。 拥有大量灵活可用的氢气，不仅可以远程调节氢气的能源需求，还可以调节电网用电量的波动。

高温固体氧化物电解水制氢的主要特点是：采用固体氧化物作为电解质材料，操作温度在800～1000℃之间，制氢效率显着提高。 不过，这项技术尚未上市。 该技术的电极采用具有催化功能的非贵金属； 阴极材料可以用镍制成多孔金属陶瓷，可以有效解决腐蚀问题和催化问题； 例如，阳极多孔材料可以是氧化钙钛，其可以具有抗氧化作用。 ; 电解质材料主要是支撑和分隔电极，分隔氢和氧，同时也让氧离子通过。 例如，可以使用与稀土混合的氧化锆； 高温是为了让水分子在催化剂的作用下更容易裂解成氢气。 离子和氧离子，高温可以提高反应的稳定性和输出效率； 在直流电压和上述机理作用下，发生的反应为：

阴极 H2O + 2e → H2 + O2，

阳极O2→2e+(1/2)O2。

该技术单体形式的结构如下图左侧，单体组合结构如下图右侧：

该技术的初步测试结果还是令人满意的，成本可降低至传统电解水制氢成本的一半。 不过，这项技术目前仍处于进一步探索阶段。 中国和其他国家的科学家正在争先恐后地解决以下问题：

1）更好的阳极和阴极电解质材料。 最近有人用镍与锰、铁、磷混合制成泡沫，然后在表面包裹石墨烯，制成正极材料。 有些人使用尖晶石（金属氧化物）来制造它。 阳极材料进一步增强催化效果和防腐效果，

2）电解槽的寿命，

3）余热利用问题，

4）进一步探索更好的结构。 人们希望进一步降低成本，尽快实现商用。

有一种弱电制氢技术，利用多结太阳能电池输出的电能直接电解水制氢。 这是一种弱电制氢方法。 这项技术的关键是催化剂必须高效。 一些科学家使用钴金属和磷作为催化剂，并使用氧化铟和氧化锡作为电极。 电极和催化剂放置在水中，依靠多结太阳能电池输出产生的微弱电流。 在电催化下，水分解成氢气和氧气。 该技术的亮点在于，一是电极和催化剂廉价易得； 其次，在常温下进行； 第三，电催化前后水呈中性，不会像酸性（或碱性）水那样腐蚀电极。

还有一种弱电制氢技术，在制作结构上下功夫。 采用原子沉积方法，将二氧化钛原子沉积到半导体电极表面（即半导体电极上覆盖一层二氧化钛纳米保护层），然后在二氧化钛上覆盖一层二硫化钼纳米保护层。 -增强催化功能的层。 催化剂层为二硫化钼，保护层为二氧化钛，形成联锁结构。 利用这种“电极加催化剂”的方法，利用微弱的电力产生氢气。 该技术的亮点在于，一是开辟了制备稳定光电极材料的新方向； 其次，催化剂二硫化钼廉价易得，降低了水分解的成本。

还有一种弱电制氢技术，努力增加紫外线的发射。 众所周知，紫外线可以分解水，因此有科技工作者进行了实验，以TiO2为催化剂，用紫外线照射其来分解水。 但可见光中含有少量的紫外线，因此有科技工作者制作了利用可见光激发紫外线的材料，使可见光能够产生更多的紫外线，从而达到可见光分解水的目的 。 太阳光中，紫外线的波长<400nm，可见光的波长>400nm，红外光的波长>760nm。 只有紫外线才能分解水。 现在的问题是，应该使用什么波长的紫外线来分解水？ 这个问题很容易解决。 假设我们要分解纯净水。 人们可以测量纯水的紫外光峰值光谱频率。 这个频率的紫外线是最适合分解水的频率，所以我们根据这个频率来设计和激发紫外线。 材料将产生重大影响。

电解水的关键是实现低成本。 低成本水分解具有巨大的实用前景，很可能成为常用技术，并且很可能成为绿色能源的支柱之一。 这项技术一定会流行的原因如下：

1、太阳能或其他“弱电供电装置”可与“弱电制氢装置”组合使用，全天候生产氢气和氧气。

2、如果电解水产生的氢气是氢气和氧气的混合气体，目前的“离子膜技术”和储氢材料技术可以轻松分离氢气和氧气。

3.电极和催化剂一体化，可制成多孔形式或覆盖纳米材料，催化效果更佳。 生产工艺成熟，生产价格低廉。

4、理论研究方法和器件制造方法均已具备成熟的技术支撑。 剩下的问题是需要更多有才华的工程师来实现这些实用设备。 基于此，可以说，电催化水的实用化装置距离推出市场已经不远了。

众所周知，氢的用途非常广泛。 氢可用作能源材料。 它不仅可以直接燃烧产生能量，还可以用于燃料电池产生电流。 此外，氢是一种常用的化学中间体，可以通过不同的工业过程生产氮化物。 醇类、甲烷等； 氢有着广泛的应用。 如果电催化水技术成为实用，清洁能源将取之不尽、用之不竭，人们期待这一天的到来。