堿性電解水制氫（Alkaline Water Electrolysis, AWE）是目前技術(shù)最成熟、商業(yè)化應(yīng)用最廣泛的綠氫制備技術(shù)之一，其核心是在堿性電解質(zhì)（如KOH、NaOH溶液）環(huán)境中，通過外加電能驅(qū)動水分子分解為氫氣（H?）和氧氣（O?）。該技術(shù)具有成本低、設(shè)備兼容性強、操作穩(wěn)定等優(yōu)勢，而催化劑是降低電解能耗、提升反應(yīng)速率和延長設(shè)備壽命的關(guān)鍵核心材料。

一、堿性電解水制氫的基本原理

堿性電解水系統(tǒng)的核心組件包括陰極（析氫電極）、陽極（析氧電極）、堿性電解質(zhì)溶液和離子交換膜（或隔膜），整體通過“陰極析氫反應(yīng)（HER）”和“陽極析氧反應(yīng)（OER）”兩個半反應(yīng)協(xié)同完成水的分解，具體過程如下：

1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與離子遷移

電解質(zhì)：通常為20%-30%的KOH水溶液（導電性優(yōu)于 NaOH，且腐蝕性更低），提供OH?作為電荷載體；

隔膜：多為石棉膜、多孔聚合物膜（如PP/PE），作用是分隔陰極生成的H?和陽極生成的O?（避免混合爆炸），同時允許OH?在兩極間遷移；

離子遷移方向：在外加電場作用下，電解質(zhì)中的OH?從陰極向陽極移動（補充陽極反應(yīng)消耗的OH?），電子通過外電路從陽極流向陰極（形成電流回路）。

2. 核心半反應(yīng)（總反應(yīng)與兩極反應(yīng)）

堿性電解水的總反應(yīng)是水分子分解為H?和O?，具體可拆解為陰極和陽極的兩個半反應(yīng)，反應(yīng)條件為“通電 + 堿性環(huán)境”：

3. 關(guān)鍵特征：與酸性電解水的核心差異

堿性電解水與質(zhì)子交換膜（PEM）電解水（酸性環(huán)境）的核心區(qū)別在于“電解質(zhì)類型”和“電荷載體”，直接影響反應(yīng)路徑和材料選擇：

電荷載體：AWE中是OH?（堿性），PEM中是H?（酸性）；

電極材料要求：AWE的堿性環(huán)境可避免酸性對金屬的腐蝕，因此可使用低成本金屬（如鎳基材料），而PEM需用耐酸的貴金屬（如鉑、銥）；

反應(yīng)動力學：OER在堿性環(huán)境中的反應(yīng)能壘更低（相比酸性），但HER動力學稍弱，因此需通過催化劑分別優(yōu)化兩極反應(yīng)。

二、催化劑在堿性電解水制氫中的重要作用

電解水反應(yīng)（尤其是OER）存在較高的活化能壘——若不使用催化劑，反應(yīng)需在極高電壓（＞1.8V，遠高于理論分解電壓1.23V）下才能發(fā)生，導致能耗過高、效率低下（能量轉(zhuǎn)化效率＜60%）。催化劑的核心作用是“降低反應(yīng)活化能、加速電子轉(zhuǎn)移、優(yōu)化反應(yīng)路徑”，具體體現(xiàn)在以下4個關(guān)鍵方面：

1. 降低電解電壓，減少能耗（核心價值）

電解水的實際電壓由三部分組成：理論分解電壓（1.23V，熱力學定值）、活化過電壓（由反應(yīng)動力學決定）、歐姆過電壓（由電解質(zhì)/電極電阻決定）。其中，活化過電壓是能耗的主要來源（占總過電壓的60%-80%），而催化劑可直接降低活化過電壓：

l 無催化劑時，AWE 的實際電解電壓需達到1.8-2.2V，此時制氫能耗高達6-7 kWh/Nm3 H?；

l 加入高效催化劑（如陰極用Ni-Mo合金、陽極用Ni-Fe氧化物）后，活化過電壓可降低0.2-0.5V，實際電解電壓降至1.6-1.8V，能耗降至4.5-5.5 kWh/Nm3 H?，能耗降低約 20%-30%。

l 催化劑通過提供“活性位點”，改變反應(yīng)中間產(chǎn)物的吸附/脫附能（如HER中吸附H原子的能壘、OER中吸附O物種的能壘），使反應(yīng)更易發(fā)生——例如，Ni基催化劑對H的吸附能接近“火山圖”最優(yōu)值（既不過強導致H難以脫附，也不過弱導致H吸附不足），可顯著加速HER。

2. 加速反應(yīng)速率，提升制氫效率

電解水的反應(yīng)速率直接決定制氫設(shè)備的“產(chǎn)氫強度”（單位面積電極的H?產(chǎn)量）。未加催化劑時，即使施加高電壓，兩極反應(yīng)速率仍極低（如OER中OH?氧化為O?的步驟緩慢，成為整個反應(yīng)的“瓶頸”）。而催化劑可通過以下方式加速反應(yīng)：

l 增加活性位點數(shù)量：催化劑通常為納米級多孔結(jié)構(gòu)（如NiFe?O?納米片、MoS?納米顆粒），比表面積可達100-500m2/g，提供大量可供反應(yīng)發(fā)生的“活性中”；

l 優(yōu)化電子轉(zhuǎn)移路徑：催化劑的金屬/金屬氧化物組分具有優(yōu)異的導電性，可促進電子在電極與反應(yīng)物種（H?O、OH?）之間的轉(zhuǎn)移，減少電子傳遞阻力（如Ni-Mo合金的導電性比純Ni高3-5倍，加速HER電子轉(zhuǎn)移）。

工業(yè)級AWE設(shè)備中，使用Ni-Fe-O陽極催化劑后，OER反應(yīng)速率可提升10-100倍，使電極整體電流密度從0.1A/cm2提升至0.5-1A/cm2，設(shè)備體積可縮小50%以上（相同產(chǎn)能下）。

3. 抑制副反應(yīng)，提高產(chǎn)物純度與設(shè)備壽命

堿性電解水體系中，若無催化劑或催化劑選擇性差，易發(fā)生副反應(yīng)：

l 陽極可能發(fā)生“碳酸鹽生成反應(yīng)”（若空氣中CO?進入系統(tǒng)，與OH?反應(yīng)生成CO?2?，覆蓋電極表面）；

l 陰極可能發(fā)生“金屬腐蝕反應(yīng)”（高濃度KOH在高溫下可能腐蝕電極基體）；

l 兩極均可能發(fā)生“析氣不均勻”（導致氣泡附著在電極表面，形成“氣泡電阻”，進一步增加能耗）。

高效催化劑可通過“選擇性吸附反應(yīng)”抑制副反應(yīng)：

l Ni-Fe-O催化劑對OH?的吸附選擇性遠高于CO?2?，可減少碳酸鹽在陽極的沉積；

l 陰極Ni-Mo催化劑可在電極表面形成穩(wěn)定的鈍化膜（如MoO?），阻止KOH對基體的腐蝕；

l 催化劑的多孔結(jié)構(gòu)還能促進氣泡脫附（減少氣泡附著），降低氣泡電阻，延長電極使用壽命（從數(shù)千小時提升至1萬小時以上）。

4. 降低成本，推動堿性電解槽商業(yè)化規(guī)?；瘧?yīng)用

堿性電解水制氫的核心優(yōu)勢之一是“低成本”，而催化劑是實現(xiàn)這一優(yōu)勢的關(guān)鍵：

l 替代貴金屬：在酸性PEM電解水中，HER需用鉑（Pt）、OER需用銥（Ir），成本極高；而AWE的催化劑可基于鎳（Ni）、鐵（Fe）、鉬（Mo）等低成本金屬，催化劑成本僅為PEM的1/10-1/100；

l 提升材料利用率：通過納米化、負載化（如將NiFe?O?負載在碳納米管上），可在減少催化劑用量（從傳統(tǒng)的10mg/cm2降至1-2mg/cm2）的同時保持高活性，進一步降低成本；

l 適配低純度水：高效催化劑（如Ni基）可耐受低純度原料水（如工業(yè)廢水、光伏制水）中的雜質(zhì)（如Cl?、SO?2?），無需復雜的水純化系統(tǒng)，降低整體設(shè)備投資（比PEM電解水低30%-50%）。

三、中科軒達堿性電解水制氫催化劑簡介

中科軒達催化劑具有包覆形貌和穩(wěn)定骨架結(jié)構(gòu)、成分均勻、流動性好、易于加工、催化活性高及使用壽命長等特點，適用于堿性電解水制氫，可顯著提升制氫效率并降低能耗。

催化劑粉狀形態(tài)易于均勻噴涂于鎳網(wǎng)基材，形成穩(wěn)定催化層，確保長期運行的高活性與耐久性，適用于工業(yè)制氫。公司堿性電解水制氫催化劑目前主要有鎳鋁合金粉催化劑和鎳基合金粉陶瓷催化劑。

鎳鋁合金粉催化劑

鎳基合金粉陶瓷催化劑

本公司催化劑產(chǎn)品的突出優(yōu)勢主要表現(xiàn)為：

（1）包覆形貌與穩(wěn)定骨架：通過包覆結(jié)構(gòu)保護活性組分，防止電解液滲透導致的腐蝕，同時穩(wěn)定的骨架確保長期運行中結(jié)構(gòu)完整性，延長使用壽命。

（2）成分均勻性與流動性：粉體成分高度均一，流動性優(yōu)異，可實現(xiàn)鎳網(wǎng)基材上的均勻噴涂，形成致密且高活性的催化層，避免局部熱點或活性衰減。

（3）工業(yè)化適配性：粉體形態(tài)與噴涂工藝兼容現(xiàn)有工業(yè)設(shè)備，簡化生產(chǎn)流程，降低規(guī)?；瘧?yīng)用成本，滿足工業(yè)制氫對可靠性和經(jīng)濟性的雙重需求。

（4）定制催化劑解決方案：可根據(jù)用戶要求生產(chǎn)不同Ni、Al含量的鎳鋁合金催化劑及不同氧化物含量的陶瓷催化劑，可根據(jù)用戶需要生產(chǎn)不同粒度要求和粒度分布的催化劑粉末。

總之，堿性電解水制氫的本質(zhì)是“電能驅(qū)動下的水分解反應(yīng)”，其核心挑戰(zhàn)在于克服反應(yīng)活化能壘、降低能耗；而催化劑通過降低活化過電壓、加速反應(yīng)速率、抑制副反應(yīng)等來降低成本，成為決定該技術(shù)效率、經(jīng)濟性和規(guī)?；?/span>“核心命脈”。隨著催化劑技術(shù)的不斷突破，堿性電解水制氫的能耗有望進一步降至4kWh/Nm3以下，成本接近化石能源制氫，為全球綠氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供關(guān)鍵支撐。