风峰锋烽疯
范文一：关于电解水电极反应及电解产物的探讨
第27卷第6期 咸 宁 学 院 学 报 Vo.l27,No.62007年12月 JournalofXianningCollege Dec.2007文章编号:1006-5342(2007)06-0161-03
关于电解水电极反应及电解产物的探讨
徐俊龙,郭璐楠
1
2
*
(1.崇阳县众望高中 化学组,湖北 咸宁 437500;2.武汉市新洲区第三中学 化学组,湖北 武汉 430415)
不少高中化学教辅资料在书写电解稀H2SO4或电解NaOH(aq)、Na2SO4(aq)等的电极(Pt做电极)反应式时存在问题,如:电解稀H2SO4时写成,/阳极:4OH-4e=O2{+2H2O,4H2OW4OH+4H或直接写为:4OH
+
--+
----
书写方式如基础物理化学教科书
+
?
[2]
上标准电极电
--+
势表中所示:/在酸性介质中,阳极:2H2O-4e=O2{+4H(UA=1.229V),阴极:4H+4e=2H2{(UA=0.0000V);在碱性介质中,阳极:4OH-4e=O2{+2H2O(UB=0.401V),阴极:4H2O+4e=2H2{+4OH(U.828V).0B=-02 对电极反应机理的讨论
怎么理解不同介质中电极反应的不同呢?简单地说:在酸性溶液中c(H)>>c(OH),在阳极区是H2O中的氧被氧化而非OH的氧被氧化,同理在碱性介质中由于c(OH)>>c(H),所以在阴极区被还原的氢来源于H2O而不是H;详细的论述可由以下电极反应机理来理解.2.1酸性介质(以下描叙中M表示金属电极)中的
电极反应阴极分三步进行
-[1,3,4]
+
-+
-+
---?
--?
?
-4e=O2{+2H2O
-
(错误)))笔者注,下同);阴极:4H+4e=2H2{(正确)0,电解NaOH溶液时写成,/阳极:4OH
-+--4e=O2{+2H2O(正确);阴极:4H+4e=2H2{,4H2OW4OH+4H或直接写为:4H+4e=2H2{(错误)0.本文,谈谈笔者就此而引发的一系列思考,以引起广大同仁的探讨.
1 对电极反应式书写错误的分析
出现上面的典型错误,是由于下面的观点引起的:(1)不少人觉得用电离平衡的观点分析比较正确,就草率的认同以上结论;(2)也有人由物理化学基础知识知:无论是电导率(K)还是离子迁移率(U)H离子或OH离子都远大于其它离子,于是断定在电极上优先放电的是H与OH;(3)还
+
有人根据能斯特(Nernst)方程式计算得:UA(H/O2,Pt)=UB(OH
--+
-+
---+
+
:a.M+e+H3OWM
++
-
-+
-H+H2O,b.2M-HW2M+H2{,c.H3O+M-H+eWM+H2{+H2O,即总变化为:2H+2e
+
--+
/O2,Pt),UA(H
+
/H2,Pt)=UB
WH2{;阳极也分三步进行:a.M+H2OWM-OH+H+e,b.M-OHWM-O+e+H,c.2M-OWO2{+2M,即总变化为:H2O-2eW2H+1/2O2{
2.2碱性介质(M同样是表示金属电极)中的电极
反应
阴极的电极过程可表示为
---[1,3,4]
-+
(OH/H2,Pt),说明U的值与溶液(不同介质)中所含离子的浓度无关,,所以,上面的书写方式就被默认是不争的事实,而广为讹传.
仔细分析会发现上面的解释失之偏颇:(1)在电极表面存在/双电层0,离子只是在本体溶液中运动,与在电极表面上运动是有区别的
[1]
;(2)实
际的电解是外界提供电能,使所对应的原电池的电池反应发生逆转.显然,由可逆电极的定义知:在电极上发生反应的不一定是离子,气体分子、水分子等皆有可能.所以对照氢-氧原电池在不同的介质(酸性或碱性环境)的电极反应不同,可推知电解水时不同介质中电极反应亦不同.正确的
*
:a.H2O+M+
eWM-H+OH,b.2M-HW2M+H2{,c.H2O+M-H+eWM+H2{+OH即总变化为:2H2O+2eWH2{+2OH;阳极的电极过程同样可表示为:a.M+OHWM-OH,b.M-OHWM-OH+e,c.M-OH+M-OHWM-O+M+H2O
-------
收稿日期:2007-09-25
162
-
咸宁学院学报 第27卷
-
+e,d.2M-OWO2{+2M;即总变化为:2OH-2eW1/2O2{+H2O2.3中性介质中的电极反应
-
0.7628)=1.0998V大于电解池的E理论分解=U/A(H
2+
O2,Pt)-U/Cu)=1.229-0.337-0.05916pHA(Cu=0.892-0.05916pHU0.537V(假设溶液的pHU6),可行!然而实测CuSO4的E实际分解=1.49V,显然本题的实验现象和电极反应都是子虚乌有的,即不可能用Pt作电极的Cu-Zn原电池做外电源来电解水.(注:如果本试题电解池中用的不是Pt电
[7]
极,而是改用Cu作电极,会有什么样的现象与结果呢?有兴趣者不妨思考一下.)4 电解水产物的讨论4.1分解电压对产物的影响
外电压是否越高(电流密度j越大)越有利于
-2-+
电解呢?我们又知:/2HSO4WS2O8+2H+2e(UA=2.18V),2SO4776V),0
[8]
-?
2-
+
这一直是大家感到困惑的一个问题.笔者查阅众多文献,发现在书写电极反应式时,主要有两种典型的观点,而对于中性介质的电极过程动
力学机理却都只字未提.
由于H2和O2析出的超电势都很高,可根据塔菲尔(Tafel)公式G=a+blnj查表计算(用Pt作电极),知中性溶液的E实际在2.2V左右,酸性或碱性中的E实际在1.7V左右,所处的条件相同(理论上超电势应相同,则分解电压也应无区别),为什么两者还存在这么大的差距(约为0.5V),且均远远高于理论分解电压(E理论=U.229V),正-U负=1可推测在中性介质中的电极反应机理应与酸性或碱性介质时不同,才导致分解电压不同,所以电极反应式的书写也应不同.因此,笔者认为中性介质
-时较合理的写法为:阴极:2H2O+2eWH2{+2OH;阳极:H2O-2eW2H+1/2O2{(有兴趣的读者,不妨据本文所列文献去研读或去查阅其他文献,循径问幽,会有更多的收获.)3 关于超电势在电解水过程中的影响
3.1解释为什么实际分解电压远高于理论分解电
压
由理论分析知电解水的理论分解电压在P下E理论=1.229V,但是由于H2和O2在不同的电极材料上,存在着/超电势0
[6]
?
[2,5]
?
?
--+
?
?
?
[1,2]
WS2O8
+
2-
+2e(UA=
-?
-?
2.06V),2H2OWH2O2+2H+2e(UA=1.
/2H2O
即说明电压过高时会有:
通电
H2SO4或NH4HSO4或KHSO4等混液
H2O2+H2{
[历程:2H2SO4yH2S2O8+H2{,H2S2O8+H2OyH2SO5+H2SO4(快),H2SO5+H2OyH2O2+H2SO4(慢)]的副反应发生0.这一反应,以前是工业上大量生产H2O2的一种重要的方法的基本反应原理.有人可能会反驳:Pt的存在不是能催化
H2O2的分解吗?工业上用电解法生产H2O2的电解槽是有隔膜的!这样说固然不错,H2O2的产生与分解是并存的,但是两种作用谁的速率大呢?从这方面考虑不是豁然开朗了吗?所以,不难理解电压过高对电解产物的影响.4.2电极反应本身不可避免的副反应
单从阳极能产生O2知,首先是产生原子态氧,随即发生:2O=O2,当然不可避免发生:3O=O3,O+H2O=H2O2.所以综上所述:电解不一定是H2和O2,还有O3和H2O2、H2S2O8产生.因此对于电解产物恰当的描述为:/在适宜的外电压下,产物主要是H2和O20才是较准确的.4.3产物的体积比问题
下面的试题就能很好的说明这问题.
试题:分别以新配制的NaOH,H2SO4溶液作为电解质溶液进行电解,在阴极得到H2,在阳极得到O2.理论上两种气体的体积之比应为2B1,然而实验结果却不是2B1,数据如下表:
[8]
,使得实际的分解电
压远大于E,例如电解以下溶液(注:所列各种
溶液,浓度为(1/z)mol/L(即当量浓度),Pt作电极时):H2SO4的E实际=1.67V,NaOH的E实际=1.69V,HNO3的E实际=1.69V,H3PO4的E实际=1.70V,KOH的E实际=1.67V,NH3#H2O的E实际=1.74V,NaNO3的E实际=2.15V,K2SO4的E实际=2.20V,Na2SO4的E实际=2.21V等,所以对于电解这些物质时,外电压不能低于E实际才行(从动力学角度考虑,实际中一般采用的电解电压为12V~24V).
3.2超电势的应用之一,为我们纠正一些错误例如:流行很久的一道试题:/将一个Cu-Zn原电池来做外电源(设处于标态),与电解CuSO4(设浓度为1mol/kg)的电解池的两电极(Pt)相联,要求写出电解池中所观察到的现象和两极的电极反应式.0在理论上E外电源=U.377-(-正-U负=0
第6期 徐俊龙,郭璐楠 关于电解水电极反应及电解产物的探讨
电解时间(min)
NaOH
阴极生成气体的体积(mL)阳极生成气体的体积(mL)阴极生成气体的体积(mL)阴极生成气体的体积(mL)
(1)以NaOH溶液为电解液,自7min后的每min内生成的两种气体体积之比为2B1,为什么?
(2)以H2SO4溶液为电解液,在电解过程中生成的两种气体体积之比均不为2B1,为什么?(回答尽可能具体些)参考答案:
(1)开始电解生成的H2和O2,其一,两者均要溶于电解溶液中,因O2的溶解度大于H2;其二,两种气体还被电极吸附,由于对氧的吸附能力大于氢;其三,由于初生氧与电极金属反应形成氧化层或初生的氧与水中的杂质反应而消耗;所以开始几分钟时O2的体积显得少些.几分钟后,溶解、吸附、消耗等达到饱和状态,此后生成的气体体积比保持2B1.
(2)电解过程中生成气体的体积均不为2B1,表明除H2和O2溶解、吸附、消耗等能力不同外,在阳极必然发生了副反应,可能生成H2O2、O3、H2S2O8等.5 结 论
通过以上讨论,我们可以得到如下结论:(1)不同介质中电极反应可能是不同的;(2)电极放电反应也不一定是离子优先于分子;(3)电解水时,两电极均存在超电势,因而实际分解电压远高于理论分解电压;(4)电解产物以H2和O2为主,电压过高可能生成H2O2、O3、H2S2O8等副产物,由于各种因素使得H2和O2的体积比不是严格的2B1.
参考文献:16261
2124122
3,,7
8
9
10
163
20,,556575857,,2631364120,,505866744,,16192225
H2SO4
以上这些,希望广大中学化学教师在处理电解水
这一问题时能够引起重视.
[1]杨辉,卢文庆.应用电化学[M].北京:科学出版社,2001.22~24,57~61,69~70,176~182.[2]傅献彩等.物理化学(下册)[M].第4版.北京:高等教育出版社,1990.509.603~604.661~672.
[3]查全性等.电极过程动力学导论[M].第2版.北京:科学出版社,1987.325~349.368~379.[4][苏]L#L安特罗波夫著,吴仲达等译,胡志彬校.理论电化学[M].北京:高等教育出版社,
1982.
[5]北师大等三校.无机化学(上册)[M].第4版.北京:高等教育出版社,2002.339~377.[6]朱元宝等.电化学数据手册[M].长沙:湖南科学技术出版社,1984.[7]丁亮中.以丹聂尔电池为电源电解硫酸钠溶液的实验研究[J].益阳师专学报,1995,12(5):92~97.
[8]姚凤仪等.氧、硫、硒分族.无机化学丛书第五卷[M].北京:科学出版社,1990.110~111.致谢:本文得到咸宁学院化学与生命科学系的王
恒煜老师和王军涛老师的悉心指导,在此向两位老师表示诚挚的谢意!
范文二：关于电解水电极反应及电解产物的探讨[原创]
关于电解水电极反应及电解产物的探讨
——对高中化学教辅资料中电解水知识介绍的质疑
徐俊龙
(咸宁学院化学与生命科学系 湖北 咸宁市 437005)
指导老师:王恒煜(研究员)
摘 要:本文应用物理化学中电化学部分所学的相关知识，指出并纠正中学化学中有关电解水的一典型错误和与此相关的错误，以及笔者就此提出的新见解。来阐明作为广大的中学化学教师应该重视大学化学基础知识与中学化学教学实际相结合。
关键词:高中化学; 电解水; 电极反应式; 电极反应机理 一、引言
在高中化学里，不少教辅刊物对书写电解稀HSO或电解NaOH(aq)、24
[1]NaSO(aq)等的电极(Pt做电极)反应式存在问题，如:电解稀HSO时，2424
---+-- “阳极:4OH-4e=O?+2HO，4HO4OH+4H或直接写成:4OH-4e=O?2222 +-+2HO(错误——笔者注，下同);阴极:4H+4e=2H?(正确)”，电解NaOH22
--+-溶液时，“阳极:4OH-4e=O?+2HO(正确);阴极:4H+4e=2H?，222 -++-4HO4OH+4H 或直接写成:4H+4e=2H?(错误)”。本文，谈谈笔者就22
此而引发的一系列思考，供广大同行探讨:
二、对于电极反应式书写错误的分析
出现上面的典型错误，是由于下面的观点在作怪:(1).不少人觉得用电离平衡的观点分析比较正确，就草率的下结论;(2).也有人由物化基础知识知:
+-无论是电导率(λ)还是离子迁移率(U)H离子或OH离子都远大于其它离子,
+-于是断定在电极上优先放电的是H与OH;(3).还有人根据能斯特(Nernst)方程
++--式计算得:,(H/O，Pt)= ,(OH/O，Pt), ,(H/H，Pt)= ,(OH/H，Pt)，2222 , , , ,说明,的值与溶液(不同介质)中所含离子的浓度无关??所以，上面的书写方式就被墨认是正确的而广为流传。
仔细分析会发现上面的解释失之偏颇:(1)在电极中存在“双电层”，离子
[2]的运动只是在本体溶液中而已，与在电极表面上运动是有区别的。(2).实际的电解是外界提供电能，使所对应的原电池的电池反应发生不可逆的逆转而已。显然，由可逆电极的定义知:在电极上发生反应的不一定是离子，气体分子、水分子等皆有可能。所以对照氢-氧原电池在不同的介质(酸性或碱性环境)的电极反应不同，可推知电解水时不同介质中电极反应亦不同。正确的书写方式如基
[3]-础物理化学书上标准电极电势表 中所示:在酸性介质中:阳极:2HO-4e=O22
??++-?+4H(,=1.229V);阴极:4H+4e=2H?(,=0.0000V)，在碱性介质中:,2,
--?--?阳极:4OH-4e=O?+2HO(,,,,,,,V);阴极:4HO+4e=2H?+4OH(,,,,,,,,V)2222,,
三、关于电极反应机理的讨论
怎么理解不同介质中电极反应的不同呢,简单地说:在酸性溶液中c +--(H)>>c (OH),在阳极区是HO中的氧被氧化而非OH的氧被氧化,同理在碱性介2
-++质中由于c (OH)>>c (H),所以在阴极区被还原的氢来源于HO中而不是H 中;2
[4]详细的论述要由电极反应机理上理解:(简单的表示) +-1.酸性介质(以下描叙中M表示金属电极)，阴极:a.M+e+HOM-H+HO，32 ++-- b.2M-H2M+H，c.HO+M-H+eM+H+HO,即:2H+2eH;阳23222 +--+极:(1)M+HOM-OH+H+e,(2)M-OHM-O+e+H,(3)2M-O 2
+- O+2M，即得:HO-2e2H+1/2O; 222 --2.碱性介质(M同样是表示金属电极)，阴极:a.HO+M+eM-H+OH,b.2M-H2 -- -- 2M+H,c.HO+M-H+eM+H+OH即得: 2HO+2eH+2OH;阳22222 ---_-极:(1)M+OH M-OH,(2)M-OHM-OH+e(3).M-OH+M-OH
---M-O+M+HO+e,(4)2M-O O+2M;即得:2OH-2e +HO 。1/2O2222
3.中性介质:这一直是大家感到困惑的一个问题。笔者查阅众多文献，发现在书
[5]写电极反应式时，主要有两种典型的观点(见所列文献)，而对于中性介质的电极过程动力学机理却都只字未提。
由于H和O析出的超电势都很高，可根塔菲尔(Tafel)公式η=a+blnj查22
表计算(以Pt为电极)，得知中性溶液的E在,,,V左右，酸性或碱性中的E实际实在1.7V左右，所用电极材料和电解条件相同(理论上超电势应相同，则分解电际
压也应无区别)，为什么两者还存在这么大的差距(约0.5V)，且均远远高于理
???论分解电压(E= ,, ,,,,,,？V)，可推测在中性介质中的电极反应机理应理论正负
与酸性或碱性介质时不同，才导致分解电压不同，所以电极反应式的书写也理应
-- 不同。因此，笔者认为中性介质时较合理的写法为:阴极:2HO+2eH+2OH;22 -+ 阳极:HO-2e2H+1/2O(有兴趣的读者，不妨据本文所列文献去研读或去查阅其22
他文献，循径问幽，会有更多的收获。)
四、关于超电势在电解水过程中的影响
为什么实际分解电压高呢,众所周知工业上一般只用电解碱溶液来电解水
[6]呢,之一:由于H和O在不同的电极材料上，存在着“超电势”(请查文后22
,,,? 所列文献)，使得实际的分解电压远大于E，例如[所列各种溶液，浓度为(1/z)mol/L(即当量浓度)，Pt作电极时]:HSO的E=1.67V，NaOH的E=1.69V，实际实际24
HNO 的E=1.69V，HPO的 E=1.70V， KOH的E=1.67V，NH?HO的 E实际实际实际33432=1.74V，NaNO的 E=2.15V，KSO 的 E=2.20V，NaSO的E=2.21V实际实际实际实际32424等，所以对于电解这些物质时，外电压不能低于E才行(从动力学角度考虑，实际
实际中一般采用的电解电压为12V~24V);之二:由于水溶液中O的析出只能2在很正的电势下进行，可供选择的电极材料只有贵金属(铂系元素及Ag，Au)或处于钝化态的金属(例如:碱性介质中可用Fe，Co，Ni等)，所以一般实际生产中用碱性介质就不难理解了。
这一点也可以为我们纠正一些错误，例如:流行很久的一道试题:“将一个
Cu-Zn原电池来做外电源(设处于标态)，与电解CuSO(设浓度为1mol/kg)的4
电解池的两电极(Pt)相联，要求写出电解池中所观察到的现象和两极的电极反应式。”在理论上E= ,,,=0.377-(-0.7628)=1.0998V大于电解池的E外电源正负理论
，2+= ,(,,,，Pt),,(Cu/Cu)=1.229-0.337-0.05916pH=0.892-0.05916pH分解,,,
?0.537V(设pH?6)，可行～然而实测CuSO的 E=1.49V，显然本题的实实际分解4
验现象和电极反应都是子虚乌有的。(引注:如果本试题电解池中用的不是Pt电
[8]极，而是改用Cu作电极，会有什么样的现象与结果呢,有兴趣者不妨思考一下。)
五、电解水产物的讨论
还有人可能会问，外电压是否越高(电流密度j越大)越有利于电解呢,我
? [9]+---2-2-2- 们又知:2HSOSO+2H+2e(, =2.18V)，2SOSO+2e428,428 ??+- (,,,,,,V) ，2HO HO+2H +2e (,=1.776V)， ,222,
通电
即说明电压过高时会有:2HO HO+H?2222HSO或NHHSO或KHSO等混液24444
[历程:2HSOHSO+H?，HSO+HOHSO+HSO(快)，22822282252424
HSO+HOHO+HSO(慢)]的副反应发生。这一反应，以前是工业上2522224
大量生产HO的一种重要的方法的基本反应原理。有人可能会反驳:Pt的存在22
不是能催化HO的分解吗,工业上用电解法生产HO的电解槽是有隔膜的～这2222
样说固然不错， HO的产生与分解是并存的，但是两种作用谁的速率大呢,从22
这方面考虑不是豁然开朗了吗,
[10]不只看上面那些，单从阳极能产生O知，首先是产生原子态氧，随即发2
生:2O=O，当然不可避免发生:3O=O，O+HO=HO，所以电解不一定是H232222和O，还有O和HO、 HSO产生。因此对于电解产物恰当的描述为:“在2322228
适宜的外电压下，产物主要是H和O”才是较准确的。下面的试题就能很好的22((((((
说明这一论断。 [11]试题:分别以新配制的NaOH，HSO溶液作为电解质溶液进行电解，在24
阴极得到H，在阳极得到O。理论上两种气体的体积之比应为2:1，然而实验22
结果 却不是2:1，数据如下表:
电解时间(min) 1 2 3 ?? 7 8 9 10 NaOH 阴极生成气体的体积(mL)6 12 20 ?? 55 65 75 85
阳极生成气体的体积(mL) 2 4 7 ?? 26 31 36 41
HSO 阴极生成气体的体积(mL)6 12 20 ?? 50 58 66 7424
阴极生成气体的体积(mL) 1 2 4 ?? 16 19 22 25
(1) 以NaOH溶液为电解液，自7min后的每min内生成的两种气体体积之比
为2:1，为什么,
(2) 以HSO溶液为电解液，在电解过程中生成的两种气体体积之比均不为2:24
1，为什么,(回答尽可能具体些)
参考答案:
(1).开始电解生成的H和O，其一:两者均要溶于电解溶液中，因O的溶解222度大于H;其二:两种气体还被电极吸附，由于对氧的吸附能力大于氢;其三:2
由于初生氧与电极金属反应形成氧化层或初生的氧与水中的杂质反应而消耗;所以开始几分钟时O的体积显得少些。几分钟后，溶解、吸附、消耗等达到饱和2
状态，此后生成的气体体积比保持2:1
(2).电解过程中生成气体的体积均不为2:1，表明除H和O溶解、吸附、消22耗等能力不同外，在阳极必然发生了副反应，可能生成HO、O、HSO等。223228
六、结束语
至此，我们很清楚地体会到:(1)不同介质中电极反应可能是不同的;(2)电极放电反应也不一定是离子优先于分子(这点必须澄清～);(3)命题时，我们不能凭自己的主观臆断，犯科学性的错误[如一些典型的杜撰:用CaCl(aq)来2鉴别NaHCO(aq)与NaCO(aq)、把金属性与金属活动性混为一谈??];(4)323
对于一些常见的反应也不能绝对化(如:H在O中燃烧产物一定是HO吗,)，222否则会显得不够严密。以上这些希望我们广大中学化学教师能够引起重视，我们共勉吧～
参考文献:
[1] I.袁卫平.电解稀硫酸、NaOH溶液、NaSO溶液的电极反应式[J].中学生理化报(高二、24
三版).2004，14(总645期):1
II.王后雄.高中化学重难点手册(试验修订本?选修)供高三年级使用[M].第7版.武汉:
华中师范大学出版社，2003. P110表4-2 [2] 杨辉、卢文庆.应用电化学[M].北京:科学出版社，2001.P22-24
[3] 傅献彩等.物理化学(下册)[M].第四版.北京:高等教育出版社，1990. P603-604 [4] I.杨辉、卢文庆.应用电化学[M].北京:科学出版社，2001.P57-61，P69-70，P176-P182
II.查全性等.电极过程动力学导论[M].第二版.北京:科学出版社，1987 .P325-349，
P368-379
III.[苏]L?L安特罗波夫著.吴仲达等译.胡志彬校. 理论电化学[M].北京:高等教育出版
社出版，1982.第二十、第二十一章 [5] I. 傅献彩等.物理化学(下册)[M].第四版.北京:高等教育出版社,1990.P509
II. 杨辉、卢文庆.应用电化学[M].北京:科学出版社，2001.P57-61
[6] I.傅献彩等.物理化学(下册)[M].第四版.北京:高等教育出版社,1990. P661-672
II.北师大等三校合编.无机化学(上册)[M].第四版.北京:高等教育出版社，2002. P377-339 [7] 朱元宝等.电化学数据手册[M].长沙:湖南科学技术出版社，1984.P353，表11 [8] 丁亮中.以丹聂尔电池为电源电解硫酸钠溶液的实验研究.益阳师专学报[J]，1995，12(5):
92~97
[9] I.姚凤仪等.氧、硫、硒分族.无机化学丛书第五卷[M].北京:科学出版社,1990. P110-111
II.北师大等三校合编.无机化学(下册)[M].第四版.北京:高等教育出版社,2003. P493 [10] 张灿久.化学奥林匹克竞赛教程[M].长沙:湖南师范大学出版社,1996. P275 [11] 王后雄.中学化学题典大全(高中)[M].武汉:华中师范大学出版社,1995. P221，P681 联系方式:
通讯地址:湖北省咸宁市咸宁学院(咸安校区)化学与生命科学系2002级化本(2)班 邮编: 437005
电话:0715——8340754 E-mail:icho63021044@3126.com http://icho63021044.anyp.cn
范文三：电解水的反应属于
1、电解水的反应属于（ ）
A、 化合反应 B、分解反应 C、物理变化 D、化学变化
2、用直流电源电解水时，其结果为（ ）
3、
4、A、正极产生氢气，负极产生氧气B、正极产生氧气，负极产生氢气C、正极产生的气
体比负极多D、负极产生的气体比正极多 3、能保持水的化学性质的粒子是（ ）A、水原
子B、水分子 C、氢、氧原子 D、氢、氧分子4、下列说法正确的是（ ）A、分子是由原
子构成的，所以，分子一定比原子大B、分子和原子都在不停地运动C、分子和原子的本质
区别是：分子可以再分，原子不能再分D、分子能保持物质的化学性质，而原子不能E、物
质都是由分子构成的F、物理变化中，分子本身没有变，只是分子间的间隔等变了5、下列
关于各种变化说法正确的是（ ）A、把糖和水混合是化合反应B、氢气在氧气中燃烧是化
合反应C、水蒸气遇冷凝结成水是分解反应D、黄泥水经过过滤分成泥和水是分解反应6、
小兰通过学习知道，电解水时生成氢气和氧气的体积比应为1:2，但自己实验所得数据氢气
和氧气的体积比略大于1:2。针对这一发现，你认为下列做法中不可取．．．的是（ ）A．反
复多次实验查找原因 B．大胆提出假设：氧气比氢气易溶于水C．查找实验装置是否漏气
D．实验所得数据与理论值相差不多，可以认为实验成功二、简答题 1、分子、原子都是
构成物质的基本粒子，请你列举出一些由分子、原子构成的物质（至少两例）。由分子构成
的物质： 由原子构成的物质：
2、用分子、原子的观点解释：（1）为什么水银（汞）温度计的液柱
随温度的升降而升降？（2）氢气在氧气中燃烧生成水。（3）水蒸发与水通电分解的不同。3、
氢气作为新型燃料有哪些优点？你知道目前氢能源的开发和利用的最新动向吗？
范文四：电解水析氢电极材料的研究新进展
杜晶晶等:电解水析氢电极材料的研究新进展
()文章编号:１００１Ｇ９７３１２０１５０９Ｇ０９００１Ｇ０６
０９００１
电解水析氢电极材料的研究新进展
杜晶晶１,李 娜２,许建雄１,许利剑１
?
(湖南工业大学包装与材料工程学院,湖南株洲４１．１２００７;)湖南工业大学冶金工程学院,湖南株洲４２．１２００７
摘 要: 电解水是实现工业化廉价制备氢气的重要手段,为减小阴极过电位,降低能耗,研究具有高电催化活性的阴极析氢材料具有重要的意义.影响析氢材料电催化活性的因素主要有能量因素和几何因素,围绕着这两个主要因素,综述了电解水析氢电极材料的最新研究进展,并对析氢电极材料的发展趋势进行了展望.
关键词:析氢;电极材料;电催化活性;多孔 电解水;
电极
:/DOI１０．３９６９i．ssn．１００１Ｇ９７３１．２０１５．０９．００１j中图分类号: TG１４６．４;TQl５１．１
文献标识码:A
[]Ｇ２
、;镍基合金析氢阴FeＧP、FeＧCoFeＧCoＧB、FeＧLa等１、、、极,如NiＧMoNiＧZnNiＧW、NiＧP、NiＧCoNiＧS、NiＧB、[]Ｇ４、、.由于NiＧMoＧCoNiＧMoＧFeNiＧCoＧS、NiＧZnＧP等３
一些贵金属(如铂、钯、铑、银、钌、金等)的d电子轨道
都未填满,表面易吸附反应物,具有较高的电催化析氢活性,并采用复合电沉积法制备出多种贵金属析氢电、、,钐(镝(钬(由于其独特的电催化性Sm)DHo)y)
５Ｇ６]
,能[被用于制作析氢电极.另外,近期有一些关于
)、)、极.近期还报道了一些稀土元素如镧(铈(LaCe
采用导电聚合物以及碳的高聚物修饰电极(如聚甲基,苯胺、聚苯胺、八羟基富勒醇)获得较好电催化析氢活性的电极.
２．１ 铁基合金析氢电极
人们对铁基合金析氢电极进行了长期的研究,关
[]
Hoor等７就采用共沉积的方法制备了FeＧP和FeＧPＧ
在质量分数为３Pt合金析氢电极,０％的KOH溶液
１ 引 言
水电解制氢是实现工业化廉价制备氢气的重要手段,但该技术存在的最大问题是电能消耗大,使得生产成本偏高,造成电能消耗大的主要原因是电解电极的析氢过电位过高,因此研究降低析氢过电位来降低电解能耗尤为重要.目前用于电解水的电极材料存在价格昂贵、比表面不大、电催化活性不高等缺点,导致电解电极析氢电位过高能耗过大,严重制约了电解水法制氢技术的发展.电极材料,尤其是阴极材料对析氢性能的影响尤为重要.影响阴极析氢电极材料电催化析氢活性的因素主要有两个因素,即能量因素和几何因素,能量因素为金属氢键的键能,具有适量吸附氢Ｇ特性的金属易于形成活性较高的金属合金;几何因素为电极材料的比表面和表面结构形态.多年来,为降低电解析氢电极的过电位、提高电催化析氢活性、降低能耗,许多科技研究工作者围绕能量因素和几何因素,开发了许多新的析氢电极材料.
于这方面的报道较多,２００１年印度班加罗尔大学/中,温度为５电流密度为１０℃,００mAcm２条件下电解,析氢过电位分别为３可见P６０和２１０mV,t元素大大提高了该电极的催化活性;对FeＧPＧPt析氢合金电极热处理后,其析氢过电位为１且长期电解稳７０mV,
[]
定性好.２采用电沉积法制备出００７年Shafia等８,
用于电催化氧化甲FeＧMoandFeＧMoＧPt合金电极,醇,取得较为满意的结果.２０１０年北京科技大学Song
]９
,教授课题组[以钢材为基体,在硫酸盐酸混合体系Ｇ
中,以七水硫酸镍和六水氯化镍为镍源,七水硫酸铁为着重讨论了电流密度对合金表面FeＧC合金析氢电极,
形貌的影响,通过交流阻抗和阴极极化曲线法对合金电极电催化析氢性能就行研究,结果发现NiＧFeＧC合金中碳的含量和合金晶粒大小对合金电极的析氢过电位有重要的影响,当合金中碳的含量为１．合金晶５９％,粒大小为３．４nm时,NiＧFeＧC合金电极的电催化析氢活性最好.
２．２ 镍基合金析氢电极
镍电极具有较好的电催化析氢活性、稳定性以及易于制备等特点,备受研究工作者的青睐,目前电解水铁源,赖氨酸为碳源,采用电沉积法成功地制备出NiＧ
２ 能量因素
键理论,有空的或半充满的d轨道的金属元素与d电子数大于d轨道数(即有成对的d电子)的金属元素形成合金,会对析氢反应产生电催化协同作用,从而大大提高电极的电催化析氢活性,因此先后采用电沉积法、、制备出铁基合金析氢阴极,如FeＧMoFeＧZnFeＧW、
?
从能量因素方面考虑,人们根据BrewerＧEnel价g
);)基金项目:国家自然科学基金资助项目(湖南省教育厅科学研究资助项目(５１３４１００８１４C０３４３,１４A０４０
:收到初稿日期:收到修改稿日期:通讯作者:李 娜,２０１４Ｇ０９Ｇ２５２０１５Ｇ０１Ｇ２７EＧmaillina６９８０９５５＠１６３．com
,作者简介:杜晶晶 (女,新疆库尔勒人,讲师,博士,主要从事电极材料研究.１９８２－)
制氢工业中基本使用镍或其合金电极,关于镍基合金析氢电极的报道较多,尤其是NiＧMo和NiＧCo合金,由于他们具有很好的电催化析氢活性而备受关注,如
１０]杨静等[对镍基上电沉积NiＧMo合金的电催化性能进行的研究结果表明,通过镍盐和含钼杂多酸盐共沉
０９
００２
/制备的更加细小,使电极表面Pd和PdAu的位点更电位下自发沉积在A电极上,制备出Ru(１１１)hＧAu
()析氢电极,通过循环伏安曲线、极化曲线以及塔１１１多,电催化析氢活性更好.同年,?trbac教授课题
]１７
,组[在硫酸体系中以R在开路hClxH２O为铑源,３
)卷２０１５年第９期(４６
积得到的镀层与纯镍相比,有较低的析氢过电位,这一结果可用含d电子层结构的过渡金属之间的协同作用
[１]
,解释.２采用直流电沉积法和脉冲０１１年魏海兴等１电沉积法分别制得N通过极化曲iＧMo合金析氢电极,
线比较两电极的电催化析氢性能,结果发现脉冲镍钼合金析氢电极的交换电流密度是直流镍钼合金析氢电极的３倍,是纯镍电极的６倍.在相同的电流密度下,(极具有卓越的电催化析氢活性,比P电极和dＧAu１１１)
)电极都要好.２Pt(１１１０１４年伊朗设拉子大学Safavi颗粒,用于修饰离子液体电极(和玻碳电极CILE)
１８]
,教授[以醋酸银和醋酸钯为原料,在乙基甲基咪Ｇ３Ｇ
唑四氟硼酸盐溶液中,采用微波技术,得到银钯合金Ｇ
()菲尔曲线等电化学检测方法,分析和比较RhＧAu１１１
()析氢电极的点催化析氢活性,结果发现R电hＧAu１１１
脉冲镍钼合金析氢电位比直流镍钼合金析氢电位要降低５３mV.２０１３年印度国家电化学研究所Mohan教
授课题组[１２]
基底,通过电沉积得到,在氯化胆碱Ｇ
乙二醇体系中合金析氢电极,采用XRNDiＧ、CSoEＧSMn和、,以铂电极为NiEＧSDn和S检测技术对合
CoＧSn３种
金电极的表面形貌和微观结构进行了分析,重点讨论了电流密度对合金表面形貌的影响.通过塔菲尔曲线法对沉积的机理和电催化析氢性能进行了研究,结果发现电催化析氢活性的顺序为oNiＧCo．３ＧS n
贵金属修饰析氢电极
.ＧSn＞NiＧSn＞
关于利用贵金属制备和修饰析氢电极的报道较多.甲醛２０间苯二酚聚合物为碳源前驱体０８年韩国浦项科技大学Lee教授课题组[１
３]
,偏钨酸铵盐为钨,以源前驱体Ｇ
,采用脱碳诱导聚合法获得大比表面、高化学吸附活性的贵金属玻碳电P极t上,得到W２C微球,得P到t/,然后采用硼化钠为还原剂负载W２C复合微球,将复合微球附着在水,结果发现t电极以及PPtt//Pt/ＧWGC２CEＧG电极的电催化析氢活性比
CE析氢电极,
用于电解CW修饰电极要强２Ct与W２C有很好的协同效应２,~３倍,这主要是由于P大大增强了电极的电催化析氢活性.２０１１年阿根廷国立科尔多瓦大学构的钯antos教授课题组[１
４]
,结合实验和理论探讨了纳米结能和几何布置的改变由直接的关系u(１１１
Ｇ金对析氢反应的影响)超分子具有优异的电催化活性与他们电子性,从分子层面阐明了PdＧ,同时证明了的电催化活性.湾理工大学的
u教授[１
５]
２０１３年台Pd本身具有很好a,在过氧化氢体以系i０d/(．０N２NiONa０．９８O３)纳２
T米６a颗HO３样品,２粒O为钯源和镍源P中d(采N用溶胶凝胶法合成,O制备出核壳结构的３)２ ６
H２O和修饰在,取得较为满意的结果La０．０２Na０．９８TaO３的表面,用于光催化电解水制氢.塞尔维亚贝尔格莱德大学采用PdSO４ ２H２O和Pd?Ctlr２b两种钯盐为钯源ac教授课题组[１
２６０]
１,
,３在分别年
()电极上沉积纳米钯颗粒Au现１１采用P１
dＧPAduCl(２１１制备的纳米钯颗粒１
)电极具有很好的电催化析氢活性,从而获得析氢电极比采用PdSO４
２,H而且,发２O(学分CPE析)
,方结合循环伏安法比较不同,交流阻抗以及线性扫描等电化组分的C,为ILE的电催化析氢性能结果发现当Ag
/PdA/gCI∶P
LE和d组分比Pd/２Pd．４/２０CI∶L８E０时,电极的电催化析氢性能最好的电催化析氢活性比纯 稀土元素修饰析氢电极
Pd/,而且CILE要好.
Ag/稀土元素由于价格一般较为昂贵,很少用在工业电解水电极中,但是其独特电催化活性,被受研究工作
者的关注[５Ｇ６,１９
]和修饰析氢电极,近年已经有了一些关于稀土元素制备
的报道,如等[２０
]PtＧHo,利２０１３年葡萄牙合金析氢电极材料用稀土金属成功,地在制８m备ol出/LPtＧ的CeN、的SantosaPOHtＧSm和
溶液中,采用线性电位扫描法分析３种电极析氢的动力学
参数,结果表明化能分别为PtＧCe,PtＧSm和PtＧHo３菲尔曲线等电化学分析方法５９,３９和６０kJ/m,o比较了l
,并通过交流阻抗和塔个电极的活金的电催化析氢活性,结果发现最好的电催化析氢活性.
PtＧSm３种稀土金属合二元合金具有２．５ 高聚物修饰析氢电极
关于高聚物修饰析氢电极的报道较少[２１
]两年才有这方面的文献报道,如２０１２年巴西南里奥格
,是最近
兰德联邦大学的入聚苯胺颗粒,通过共沉积得到聚苯胺修饰镍电极Malfatti教授[２
２]
,在镍的电镀液中加,采
用SEM分析了不同浓度聚苯胺颗粒对镍电极表面形
貌的影响,采用交流阻抗和塔菲尔曲线等电化学方法对其电催化析氢活性进行了讨论,结果发现镍电极经聚苯胺修饰后,电催化析氢活性大大提高.２０１３年中
科院北京化学研究所的法将八羟基富勒醇修饰在玻碳电极上Gan教授[２３]
,采用电化学沉积,用于电解水制
氢,结果发现八羟基富勒醇具有很好的电催化析氢活性,可用于改性玻碳电极,大大降低了电析氢的过电位和电解水的能耗.
几何因素
从几何因素方面考虑,主要是提高析氢电极的比
表面积,即增大电极的表面粗糙度和孔隙率,从而降低析氢电解过程中电极的真实电流密度,降低能耗.根
C２PSASLNP３
范文五：电解水制氢的电极选择问题研究进展
化
?５１２?
工进展
２００９年第２８卷增刊
ＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ
ＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＰＲＯＧＲＥＳＳ
电解水制氢的电极选择问题研究进展
王璐１，一，牟佳琪１，侯建平１，张伟华１，沈颖莹１，姜
颖２李永峰１
（１上海工程技术大学化学化工学院，ｔ：海２０１６２０；２东北林业大学林学院，哈尔滨１５００４０）
摘要：氢气能否作为燃料广泛使用，制氢技术方法的选择显得至关重要。作为大规模生产氢气的途径，电解水制氢无疑是最可行且最成熟的技术。然而，由于理论分解电压是不考虑任何损耗的最低电压，因此影响电能损失的主要因素是阳极过电位、阴极过电位和电阻电压降。在设备基本不变的情况下，提高电解效率的主要途径就是降低阳极过电位和阴极过电位。研究新型的析氧电极，选择适合的电极，提高水电解工艺中的电解效率，对于水电解氢气工业而言，无论从节能增效，还是从长远的解决能源短缺问题，都具有至关重要的
实际意义。
关键词：电解水制氢；阳极过电位；阴极过电位；电能效率
目前主要的制氢丁艺＝包括：（１）以矿物燃料为原料制取氧气是当今获得氢气最主要的方法，制得的氢气主要作为化工原料，如生产合成氨、合成甲醇等。（２）生物质可通过气化和微生物制氧。（３）多种化工过程如电解食盐制碱工业、发酵制酒工艺、合成氨化肥工业、石油炼制工业等均有大量副产氢气。（４）水电解制氢，是目前应用较广且比较成熟的方法之一。
水电解制氧是实现工业化廉价制备Ｈ：的雨要手段，可制得纯度为９９％～９９．９％的产品。每年我国在水电解制氢上的电能消耗达到（１．５×１０７）ｋＷ?ｈ以上。当电流从电极问通过时，在阴极上产生氧气，在阳极上产牛氧气，水被电解掉【ＩＪ。水电解制氢设备中的核心部分是电解槽，电极材料又是电解槽的关键所在。电极性能的好坏在很大程度上决定着水电解的槽电压高低及能耗大小，并直接影响成本。提供电能使水分解制得氢气的效率一般在７５％～８５％，其工艺过程简单，无污染，但电耗大，因此起应用收到一定的限制。
２０世纪中期，我国采用了碱性水溶液电解法制氢，应用于电子工业，作为生产电子元器件的保护气；在火力发电厂，用于冷却发电机组。这些水电解制氢装置大多具有双极性压滤式结构，在常压活
０．４～０．５
污染可循环利用的优质能源，越来越受到人们的重视。另外，随着太阳能、风能、核能大量用于发电，氢的成本也将大幅度的下降。水电解制氧已经发展到了将电能转变成氢能的转换手段。因此，电解水制氢将是未来产氢工业的核心技术，具有很高的社会效益和经济效益。ｌ
电解水制氢反应原理及工艺流程
电解水反应是在电解槽中进行的，电解槽内充满
电解质，用隔膜将电解槽分为阳极室和阴极室，各室内分别置有电极。由于水的导电性很小，故用加入电解质的水溶液（浓度约为１５％）。当在一定电压下电流从电极问通过时，则在阴极上产生氢气，在阳极上产生氧气，从而达到水的电解。理论上来说，铂系金属是作为电解水电极的最理想金属，但实际中为了降低设备和牛产成本，常采用镀镍的铁电极。
进行电解水时，电极反应式如下【２】。
酸性溶液中，阴极反应：４Ｈ＋＋４ｅ一２Ｈ２扩＝ｏｖ阳极反应：２Ｈ２０—４Ｉ－Ｉ＋＋０２“ｅ４＇－－１．２３Ｖ
碱性溶液中，阴极反应：４Ｈ２０＋４ｅ一２Ｈ２＋４０Ｈ一拈一０．８２８Ｖ
阳极反应：４０Ｈ一＝＝一２Ｈ２０＋０２＋４ｅ矿＝ｏ．４０ＩＶ从上式可以看出，不论在酸性还是碱性溶液中，水电解的总反应都是如下。
ＭＰａ条件下运行，具有安令可靠等优点，
但存在严重渗碱问题，电解平均电压为２．５－－．２．７Ｖ，
因此能耗大，自动化程度低。为了获得廉价电力，降低制氧成本，许多电解制氢装备，尤其是大型装置，都建在水电站附近。
至２０世纪后期，由于出现能源危机，加之环境污染日益严重，因此氢作为一种丰富，用途广且无
２Ｈ２０—２Ｈ２＋０２
水的理论分解电压与ｐＨ值无关，因而酸｜生溶
液或碱性溶液都可作为电解液。但从电解槽结构及材料的选择方面来看，使用酸性容易出各种故障。故现在工业卜都采用碱性溶液。
电解水制氧的工艺流程图如图ｌ。
增刊王璐等：电解水制氢的电极选择问题研究进展
?５１３?
冷却水电源
水
图ｌ电解水制氢工艺流程图
ｌ—整流装置；２一离子净化器；，一电解槽；４—气体分离及冷却设备；５—气体洗涤塔；６一电解液贮罐；７—气罐；８一过滤器：
９一压缩机；ｌＯ—气体精制塔；１１—干燥；１２一高压氢气氧气贮存及装瓶
２水电解制氢的方式及电极选择
２．１传统碱性电解技术
碱性水电解制氢是目前制备氢气比较常用而且也是发展比较成熟的方法。该法对设备的要求不高，投资主要集中在设备；制得的氢纯度高，但效率不是很高。其工艺过程也相对环保无污染，但是消耗大量电能，因此受到一定的限制。工业上电解水的压力一般在１．６５＂－＇２．２Ｖ。
２．１．１碱性水电解电极的评价标准
评价碱性水电解电极材料的优良与否，电极材料的使用寿命和水电解能耗是关键因素。当电流密度不大时，主要影响因素是过电位；电流密度增大后，过电位和电阻电压降成为主要能耗的因素。
在实际应用中工业电极应具有以下几点【３Ｊ：（Ｉ）高表面积；（２）高导电性；（３）良好的电催化活性；（４）长期的机械和化学稳定性；（５）小气泡析出；（６）高选择性；（７）易得到和低费用；（８）安全性。水电解制氢往往要求采用较大的电流密度（４０００Ａ／ｍ２以上），冈此第２和第４点显得更加重要。因为高导电性可以降低欧姆极化所引起的能量损失，高稳定性保证电极材料的长寿命。而１和３则是降低析氢、析氧过电位的要求，也是评价电极性能的重要指标。
２．１．２析氢阴极材料
早期电解水制氡的阴极材料主要以Ｐｔ、Ｐｄ及其合金为丰，这类金属合金虽然有很低的析氢过电位，
目前大多数研究学者报道的各种非金属的活性合金，分为三种【５】，具体如下。
（１）Ｒａｎｅｙ镍型。这类合金主要由镍和锌或铝
元素构成。
（２）镍基过度元素合金。如Ｎｉ．Ｍｏ、Ｎｉ．Ｍｏ．Ｆｅ、
Ｎｉ．Ｓ等。这类合金在碱性介质中化学稳定性好、析
氢反应活性高，因此对其研究最为广泛。
（３）其它过渡元素合金。它们在碱性电解水制氢方面均显示出极高的电催化活性。
提高阴极析氧活性的方法如下
（１）析氢阴极的表面修饰【６】。具体的可分为：（１）电镀、复合镀和化学镀法；（２）热分解法；（３）
物理法。各方法可以综合使用，这样往往能弥补单
一方法所存在的缺点，带来更好的效果。而先进的水电槽采用活性涂层阴极，但由于存在稳定性差等缺点。这项技术还处于开发阶段。
（２）在阴极电解液中添加催化作用的物质。此技术降低水电解能耗是国内外近年来开辟的降低析氧过电位的技术途径【７】。２．１．３析氧阳极材料
阳极材料必须具有优良的导电性、足够的电化
学惰性、良好的机械稳定性、可加工性、高比表面积、高的电催化性活性、良好的导热性以及耐电解质的腐蚀性，此外还需考虑价格是否可以接受。在
选择用于水电解过程的阳极时，首先要考虑电极材料的电化学性质，即在指定条件下的电极反应速度、析氧反应的电流效率以及电极材料本身的耐碱
性等【８Ｊ。目前阳极材料基本为一下几种剀。
（１）金属与合金材料。除贵金属以外，以钴锆
但价格比较昂贵，无法大量推广【４ｊ。因此人们把目
光投向了廉价的、具有低析氢过电位非贵金属合金。
?５１４?
化
工
铌镍等金属具有较高的析氧催化活性。其中以镍的
应用最Ｊ“。镍在碱性介质中具有很好的耐腐蚀性，价格也相对便宜，同时在金属元素中镍的析氧过电位不太高，并有相当高的析氧效率，所以镍被广泛用作为碱性水电解阳极材料。合金电极中，有Ｎｉ．Ｆｅ，Ｎｉ．Ｃｏ及Ｎｉ．１ｒ合金等［１０－１１Ｊ。
（２）贵金属氧化物。贵金属氧化物中Ｒｕ０２、
Ｉｒ０２和Ｒｈ０２等都具有较好的析氧催化活性，在
ＡＢ０２型金属氧化物电极中，如ＰｔＣ００２有着较好的析氧催化活性。但由于这些氧化物在碱性介质中耐腐蚀性较差，而且更适用于酸性介质，但最主要的是价格昂贵【ｌ引。
（３）Ｃ０３０４氧化物。具有尖晶石结构的Ｃ０３０４具有很好的电催化活性，Ｃ０３０４属于反尖晶石结构，是氧化亚钴和三氧化二钻的混合物【１孓１７Ｊ。
（４）ＡＢ２０４型尖晶石型氧化物。在ＡＢ２０４氧化物中，ＮｉＣ０２０４由于析氧活性高、在碱性介质中耐腐蚀以其成本相对廉价等优点，目前被认为是最具前景的碱性水电解演技材料。
（５）ＡＢ０３钙钛矿型氧化物。钙钛矿型氧化物中ＬａＮｉ０３的研究最为广泛，ＬａＮｉ０３是一种非化学计量的化合物，三价、二价镍离ｆ和氧窄穴共存，高密度的氧空穴使ＬａＮｉ０３具有导电性。采用冻干
真：空热分解法和有机酸辅助法可以在相对低的温度
下制备出有较高比表面的均相的钙钛矿型氧化物，大大提高了阳极材料的催化活性ｉｌ引。
（６）复合镀层膜电极。金属、氧化物粉末复合
镀层电极主要是用来制备性能优异的电极材料。
２．１．４提高阳极析氧活性的方法
（１）降低阳极材料过电位：提高电解温度，增加电化学活性表面积，采用新型阳极电催化剂。三个方面综合考虑将会得到更好的效果ｌｌ圳。
（２）析氧阳极的表面修饰。利用金属氧化物或者其它物质制备电极活性涂层与阳极基体复合，可以提高电极析氧效率【２０】。当氧气析出时，金属阳极表面将形成一定的氧化物层或者吸附氧层，而氧化物层的电化学稳定性及导电性等是影响氧气析出电
催化活性的主要因素。除了氧化物活性层之外，还
有阳极活性涂层的各种运用。
２．２
固体高分子电解质ＳＰＥ水电解技术
由于以液体为电解质的电解槽，效率低，不便
移动，经常需要维修，冈此人们积极寻求新型电解
质，这促使了固体聚合物电解质（ｓｏｌｉｄ
ｐｏｌｙｍｅｒ
ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ，ＳＰＥ）又称为质子交换膜（ｐｒｏｔｏｎ
进
展
２００９年第２８卷
ｅｘｃｈａｎｇｅ
ｍｅｍｂｒａｎｅ，ＰＥＭ）的开发和应用研究的深
入。目前采用固态Ｎａｔｉｏｎ全氟磺酸膜作为电解质的电解槽。电极采用具有高催化性能的贵金属或其氧
化物，将它们制成具有大比表面的粉状形态，利用
Ｔｅｆｌｏｎ黏合并压在Ｎａｔｉｏｎ膜的两面，形成一种稳定的膜与电极的结合体［２１】。
２．２．１
电解槽中阳极材料
金属电极上氧析出反应不是氧还原反应的逆过
程。氧析出反应在较正的电位区进行，此时金属电极上常会有氧化物生长的过程。通常使用的阳极材料是Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ及它们的二元或三元合金，掺入一些过渡金属，如Ｒｕ、Ｒｕ０２对于氧析出的活性最高。Ｉｒ、Ｒｕ金属及其氧化物具有较低的过电位，是研究最多的阳极催化剂，由于Ｉｒ、Ｒｕ金属具有不稳定性，大多数通过热氧化法制得，以氧化物形式存在ｉ２２Ｊ。根据一些研究发现，几种氧电极对水电解性能影响从大到小的次序是：Ｒｕ０２（４００℃热解）．Ｒｕ０２（６００℃热解）一Ｉｒ－Ｒｕ混合物一Ｉｒ０２（２００℃热解）．Ｉｒ－Ｐｔ混合物．１ｒ黑一Ｉｒ２０３．Ｒｈ２０３．Ｐｔ黑。从稳定性来看，热解的Ｒｕ０２，在４００ｈ之前性能比较稳定，此后迅速下降。ｌｒ－Ｒｕ混合物和Ｉｒ－Ｐｔ混合物催化性能随时间略有下降，而以Ｉｒ０２作阳极的电池电压在１．５４～
１．５５Ｖ保持恒定。
２．２．２
电解槽中阴极材料
目前通常采用贵晕金属（Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｕ）及铂铬
合金，铂铱合金、铂镍合金、金或者金合金及铂的三元合金氧化物作为阴极材料。铂是长期以来被认为是氢最好的催化剂，但若电解中有微量的金属离子时，铂便容易因欠电位沉积而中毒，用氧化物处理阴极能消除欠电位沉积并能产期保持铂的高活性。人们的研究还发现，使用优化的电极制备工艺可以改善催化剂的析氢活性、增大比表面以及提高电极寿命ｕ引。
通过降低槽压来降低电解水能耗一直是其研究的雨点，而对于氧电极催化剂尤其要降低过电位、
提高稳定性；对于析氧电极催化剂的研究季点将放
在提高抗毒化等催化活性，寻找过渡金属合金等廉价且性能优异的替代催化剂（如Ｎｉ基合金）。
２．２．３
ＳＰＥ技术的优势与缺陷
与传统的碱性电解槽相比，ＳＰＥ电解槽有以下
优点【２２１。
（１）使用相同数量的阴极、阳极进行Ｈ２、０２的分离，其效率比常规碱式电解槽要高。
（２）ＳＰＥ槽液相流量是压滤式复极结构的碱式
增刊
王璐等：电解水制氢的电极选择问题研究进展
学，２００５．
?５１５?
电解槽的十分之一。
（３）ＳＰＥ使用寿命较长（约为３００天），且装置体积小、质量轻。
（４）由于电解质是链式聚合物，性能稳定，无腐蚀性液体存在，因而安全可靠，维修量小。
（５）具有高的电流密度，具有更大的生产能力。
【６】胡伟康，张允什，宋德瑛，等．碱性电解水制氢的活性阴极材料田．
高技术通讯，１９９５，８：５５－６０．
【７】王迪．水电解过程中的节能与降耗叽．中国钼业，１９９８，２２（３）：
４６＿４８．
【８】刘业翔．功能电极材料及其应用【Ｍ】．湖南：中南工业大学出版社，
１９９６：２６６－２７６．
［９】杨绮琴，方北龙，童叶翔．应用电化学口田．广州：中山大学出版
社，２００１：８８．８９．
同改进的碱性电解槽相比，以固体聚合物为电
解质的电解槽性能比前者要优越得多。但由于这种电解槽采用贵金属作为电催化剂，生产费用高，导致其至今未能进入商业化。为了同现有的水电解制氢装置竞争，就必须提高以固体聚合物作为电解质的电解制氢装置的效率并进～步的降低生产成本。２．３高温水蒸气电解工艺
水电解制氢的另一种是高温水蒸气电解。这是从固体氧化物燃料电池派生出来的方法。电解室一般用Ｙ２０３稳定的Ｚｒ０２作为电解质，温度越高，电阻越小。但从材料的耐热性来看，温度上限以１０００℃为宜。通常用镍和陶瓷的混合烧结体作阴极，并用具有导电性的钙钛复合氧化物做阳极【２４】。
【１０］ｍ１０
Ｊ，Ｄｉｖｉｓｅｋ
Ｊ，ＳｃｈｍｉｔｚＨ，既ａ１．Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ
ａｎｄ
ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ
ｆｒｏｍ
Ｐａｍｅｙｎｉｃｋｅｌｅｌｃｇｔｒｏｄｃｓａｌｋａｌｉｎｅ
ｏｎＮｉ－Ｚｎ
ｂａｓｅｆｏｒＨ２ａｎｄ
０２ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ
ｓｏｌｕｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｐａｒｔ上一ＡｐｐＬＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．?１９９２，２２：７０５—７１０．
ｏｆｔｈｅ
【１１】ＨａｒｍｉｇＣ，ＫｏｐｅｒＭＴＭ．Ｍｏｌｅｃｕｌａｒｄｙｎａｍｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｅｌｅｃｔｒｏｎｔｒａｎｓｆｅｒｓｔｅｐｉｎ
ｆａｓｔ
ｔｈｅ
ｏｘｙｇｅｎ
ｒｅｄｕｃｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ
ＥｌｅｃｔｒｏａｎａｌｙｔｉｅａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ?２００２，５３２（１－２）：１６５－１７０．
【１２】王鹏，姚立广，王明贤，等．碱性水电解阳极材料研究进展【Ｊ】．化
学进展，１９９９，ｌｌ：２５４．２６４．【１３】
ＭｕｓｉａｎｉＭ，ＧｕｅｒｒｉｅｒｏＥＯｘｙｇｅｎ
ａｎｏｄｅ
ｅｖｏｌｕｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎ
ｏｆ
ａｔ
ｐｏｓｉｔｅ
ａｎｄ
ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇＣ０３０４ｐｓ－Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ
ｍｅｔａｌ－ｍａｔｒｉｘ
ｏｘｉｄｅ－ｍａａｉｘ
ｐｏｓｉｔｅｓｍ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍ．Ａｃｔａ．，１９９８，４４：１４９９－１５０７．
Ｒ
【１４】Ｓｉｎｇｈ
ａｎｄ
Ｎ
Ｋ，ＳｉＩｌｇｈＪＰ，Ｓｉｎｇｈ
Ｎ．Ｓｏｌ－ｇｅｌ－ｄｅｒｉｖｅｄｓｐｉｎｅｌ
Ｃ０３０４
ｆｉｌｍｓ
ｏｘｙｇｅｎｅｖｏｌｕｔｉｏｎ：ＰａｒｔＩＩ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
ｔｈｅｎａｔｕｒｅ
ｏｆｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｓａｌｔ
ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ
ａｎｄｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｏｆｔｈｅｍｅｔａｌ
ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ［Ｊ］．Ｉｎｔ．Ａ
ＨｙｄｒｏｇｅｎＥｎｅｒｇｙ，２００２，２７：８９５－９０３．
３结语
【１５】ｓｉｎ＃ＲＮ，ｐａｎｄｅｙ
Ｊ
Ｐ，ｓｉｎｇｈ
Ｎ
Ｋ，ｅｔ
ａ１．Ｓｏｌ—ｇｅｌ－ｄｅｒｉｖｅｄｓｐｉｎｅｌ
ｏｘｙｇｅｎ
Ｍ．Ｃ０３－ｘ０４（Ｍ＝Ｎｉ，Ｃｕ；Ｏ≤工≤１）ｍｍｓａｎｄ
Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍ．Ａｃｔａ．，２０００，４５：１９１１－１９１９．
ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ［Ｊ］．
氢能是洁净能源，利用自然界可再生的水资源制取氧无疑是人类未来的首选方法。但目前水电解制氢能耗较大，寻求水电解制氧的节能新途径就有重大的意义。长久以来，对于降低水电解制氢的阳极析氧过电位的研究主要集中在电极材料和电极表面修饰的问题上。科学、有效、合理的选择正确的电极，并配合相关手段进一步提高其活性，毫无疑问地将大大的提高制氢效率，并且进一步降低生产成本更好地运用到商业运作中去。
参考文献
［１】：Ｆ梦Ｅ，李韧．未来能源——氢及其制取１：艺【Ｊ】．西安工程学院学
报，１９９８，１９（增刊）：１３６—１４０．
［２】刘世永．添加剂法降低水电解中析氧过电位的研究［Ｄ】．天津：天
津大学，２００６．
【３】刘业翔．功能电极材料及其应用［Ｍ】．长沙；中南工业大学｝Ｈ版社，
１９９６．
［１６］Ｒｉ０＇３Ｅ，ＧａｕｔｉｅｒＪ
Ｌ，Ｐｏｉｌｌｅｒａｔ
Ｇ，ｅｔａ１．Ｍｉｘｅｄ
ｖａｌｅｎｃｙｏｆｔｈｅ
ｓｐｉｎｅｌｏｘｉｄｅｓ
ｏｆｔｒａｎｓｉｔｉ０Ｉｌｍｅｔａｌｓ
ａｎｄｅｌｅｅｔｒｏｅａｔａｌｙｓｉｓ：ｅａｓｅ
Ｍｎ舢３－ｘ０４
ｓｙｓｔｅｍ叨．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍ．Ａｅｔａ．，１９９８，４４：１４９１—１４９７．．
［１７１
Ｂｏｇｇａ
Ｃ，ＢａｒｂｕｅｅｉＡ，ＤｅｌｕｃｅｈｉＭ，ｅｔａ１．Ｎｉｃｋｅｌ－Ｃｏｂａｌｔｏｘｉｄｅ－ｃｏａｔｅｄ
ｏｆ
ｔｈｅ
ａｌｌ
ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ：ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ
ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ
ａｌｋａｌｉｎｅ
ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
Ｏｉｌ
ｏｘｙｇｅｎ
ｅｖｏｌｕｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｎｎ（ＯＥＲ）ｉｎ
Ｅｎｅｒｇｙ，１９９８，２３：１－５．
ｓｏｌｕｔｉｏｎ［．Ｉｎｔ．Ｊ．Ｈｙｄｒｏｇｅｎ
【１８】Ｂｏｃｋｒｉｓ
Ｊｏ
Ｍ，Ｏｔａｇａｗａ
Ｔ－ｍｅｌｅｅｔｒｏｃａｔａｌｙｓｉｓｏｆｏｘｙｇｅｎｅｖｏｌｕｔｉｏｎ
Ｏｌｌｐｃｒｏｖｓｋｉｔｅｓ［Ｊ】．ｚＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，１９８４，１３１：２９０－３０２．
【１９】王鹏，姚立广，王明贤，等．碱性水电解阳极材料研究进展【刀．化
学进展，１９９９，１Ｉ（３）：２５４－２６４．
【２０】ＴｒａｓａｔｔｉＳ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃａｔａｌｙｓｉｓｉｎｔｈｅａｎｏｄｉｃｅｖｏｌｕｔｉｏｎ
ｏｆｏｘｙｇｅｎ
ａｎｄ
ｃｈｌｏｒｉｎｅ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａＡｃｔａ．，１９８４，２９（１１）：１５０３—１５１２．【２ｌ】王雅丹，李培金．全氟磺酸质子交换膜电极的研究【Ｄ】．北京：北
京化工大学，２００６．
［２２】。安宁宁，姚沛．水电解电极材料［Ｊ】．无机工业盐，２００３，３５（５）：
４３—４４．
【２３】韩庆，魏绪钧，刘奎仁．镍合金用作电解水析氯阴极的发展现状们．
中国有色金属学报，２００１，１ｌ：５８．１６２．
【２４】池波，李健保．钴尖晶石水电解用复合阳极的制备及性能研究［Ｄ】．
北京：清华大学，２００４．
【４】庞志成，罗震宁，碱性电解水制氢镍合金阴极材料的研究进展叨．
能源技术，２００４，２５（１）：１９—２１．
【５】钱文鲲．电化学铝－水制氢体系析氨阴极的制备【Ｄ】．天津：天津大
基金项目：上海市重点科技攻关项目（０７１６０５１２２）、上海工程技术大学大学生科研训练基金（２００９）及上海市教委科研项目（Ｓ２００７０１００４）资助。
联系人：李永峰（１９６ｌ一），男，教授，博士，研究方向为环境工程与新能源。
电解水制氢的电极选择问题研究进展
作者：作者单位：
王璐， 牟佳琪， 侯建平， 张伟华， 沈颖莹， 姜颖， 李永峰
王璐(上海工程技术大学化学化工学院,上海201620;东北林业大学林学院,哈尔滨150040)，牟佳琪,侯建平,张伟华,沈颖莹,李永峰(上海工程技术大学化学化工学院,上海,201620)，姜颖(东北林业大学林学院,哈尔滨,150040)化工进展
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2009,28(z1)1次
刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
参考文献(24条)
1.王梦飞;李韧 未来能源--氢及其制取工艺 1998(增刊)
2.刘世永 添加剂法降低水电解中析氧过电位的研究[学位论文] 20063.刘业翔 功能电极材料及其应用 1996
4.庞志成;罗震宁 碱性电解水制氢镍合金阴极材料的研究进展[期刊论文]-能源技术 2004(01)5.钱文鲲 电化学铝.水制氢体系析氢阴极的制备 2005
6.胡伟康;张允什;宋德瑛 碱性电解水制氢的活性阴极材料[期刊论文]-高技术通讯 19957.王迪 水电解过程中的节能与降耗 1998(03)8.刘业翔 功能电极材料及其应用 19969.杨绮琴;方北龙;童叶翔 应用电化学 2001
10.Balej J;Diviselc J;Schmitz H Preparation and properties of Raney nickel electrodes on Ni-Zn basefor H_2 and O_2 evolution from alkaline sointion.Part Ⅰ 1992
11.Hartnig C;Kopor M T M Molecular dynamics simulation of the first electron transfer step in theoxygen reduction reaction 2002(1-2)
12.王鹏;姚立广;王明贤 碱性水电解阳极材料研究进展[期刊论文]-化学进展 1999(3)
13.Musiani M;Guerriero P Oxygen evolution reaction at composite anode containing Co_3O_4 particles-Comparison of metal-matrix and oxide-matrix composites 1998
14.Singh N K;Singh J P;Singh R N Sol-gel-derived spinel Co_3O_4 films and oxygen evolution:PartⅡ.Optimization of preparation condition and influenCe of the nature of the metal salt precursor2002
15.Singh R N;Pandey J P;Singh N K Sol-gel-derived spinel M_xCo_,(3-x)O_4 (M=Ni,Cu;O≤x≤ 1)films andoxygen evolution 2000
16.Rios E;Gautier J L;Poillerat G Mixed valency spinel oxides of transition metals andeleetroeatalysis:case of the Mn_xCo_,(3-x)O_4 system 1998
17.Bocca C;Barbucci A;Delucehi M Nickel-Cobalt oxide-coated electrodes:influenCe of the preparationtechnique on oxygen evolution reaction(OER)in an alkaline solution 1998
18.Bockris J O M;Otagawa T The electroeatalysis of oxygen evolution onperovskites 198419.王鹏;姚立广;王明贤 碱性水电解阳极材料研究进展[期刊论文]-化学进展 1999(03)
20.Trasatti S Electrecatalysis in the anodic evolution of oxygen and chlorine 1984(11)21.王雅丹;李培金 全氟磺酸质子交换膜电极的研究[学位论文] 2006
23.韩庆;魏绪钧;刘奎仁 镍合金用作电解水析氢阴极的发展现状[期刊论文]-中国有色金属学报 2001(z1)24.池波;李健保 钴尖晶石水电解用复合阳极的制备及性能研究 2004
引证文献(1条)
1.刘会军.尹仲超.范建波.范好亮 十二相制氢整流电源数字控制器研究[期刊论文]-电工电气 2011(10)
本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_hgjz2009z1131.aspx
转载请注明出处范文大全网 » 关于电解水电极反应及电解产物
