【摘要】 深度对比酸/碱性HER反应路径差异，揭示碱性环境动力学缓慢根源。提供Ni(OH)₂/Pt等复合催化剂设计方案，解决水解离能垒问题，实现碱性析氢效率提升8倍。

HER技术背景​

电催化析氢反应(HER)作为可持续能源转型的核心技术，通过电解水实现清洁制氢。当前全球80%能源依赖化石燃料，而氢气因其零污染特性成为理想替代能源载体。HER反应路径存在显著差异：

  • ​酸性环境​：依赖铂族催化剂，反应路径短（Volmer-Heyrovsky/Tafel）
  • ​碱性环境​：适用廉价过渡金属，但需额外水解离步骤

表1：酸碱性HER反应路径对比

核心性能差异

指标

酸性HER

碱性HER

反应速率

10²-10³倍更快

动力学缓慢

催化剂成本

铂族金属（高成本）

铁/钴/镍等（降本80%）

设备要求

耐强酸腐蚀（质子交换膜）

耐碱腐蚀（成本降低30%）

产物纯度

易被酸雾污染

氢气纯度＞99.5%

 

碱性HER瓶颈突破​

碱性环境动力学缓慢的根源在于水解离能垒​：

1.需断裂H-O-H键（键能498 kJ/mol）

2.缺乏H₃O⁺质子源，依赖OH⁻电离

3.反应路径增加水解离步骤

​

催化剂设计策略​

▶ ​双功能催化剂​（如Ni(OH)₂/Pt复合体系）：

H₂O → OH⁻ + H⁺ (Ni(OH)₂促进水解离)  

H⁺ + e⁻ → H* (Pt促进吸附还原)  

2H* → H₂ (高效脱附)

 

▶ 过渡金属优化方向：

  • 增强水解离能力（d带中心调控）
  • 构建多级孔结构（比表面＞200 m²/g）
  • 引入氧空位（提升电子转移效率）

​工业应用前景​

碱性HER在氯碱工业、废水处理领域具独特优势。实验证明：Ni(OH)₂修饰Pt催化剂在0.1M KOH中活性提升8倍（Markovic, 2020），为开发非贵金属催化剂指明方向。

 

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