绿色制氢：电化学的跨学科挑战

利用可再生能源绿色制氢是一种正在被探索的战略，以减少对化石燃料的依赖并进一步减碳。从环境角度来看，这种方法非常有吸引力，因为在电解过程中使用温和的条件，并且在燃料电池中使用氢气时不会产生温室气体。

然而，电解和燃料电池系统的经济性在很大程度上依赖于电力和镍、铂、铱和钛等金属的成本。为了使绿色制氢成为经济可行的选择，必须尽量降低成本，尤其是电力成本。在过去几十年中，太阳能电池板变得更加高效且价格合理[1]，但要提高绿色制氢的成功率，还有很多工作要做。更高效的电解槽可以更好地利用输入电力，开发更便宜、更耐用的部件可以降低资本和运营成本。

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绿色制氢的跨学科挑战

电解槽主要是电化学设备，带有负责水分解的催化剂（图1）。优化电解槽相关的科学挑战正吸引着未受过电化学培训的研究人员的注意。寻找高效的HER（析氢反应）和OER（析氧反应）电催化剂也激发了无机化学家和物理学家的兴趣。开发更好的隔膜需要有机和聚合物化学方面的专业知识。优化催化剂油墨及其与基材的相互作用需要材料科学家的专业知识。燃料电池堆内的热量和质量流量管理以及电厂平衡则需要工程方面的努力。显然，绿色制氢的不断发展鼓励了许多学科的科学家和工程师的合作。其结果是创造力和洞察力的涌入，以及令人兴奋的新材料和新技术的开发。

这些的基础

在一个不熟悉的领域工作意味着需要快速进行实践并学习新的科学词汇。对许多机构来说，直到近年来，电化学原理和实验室技能的教育成为了重点领域。

在某些情况下，基础电化学知识的不足导致重要实验指标的报告不一致。电化学界已经注意到这一点，并呼吁采取更严格的方法。因此，专家们加紧努力，为这一领域的量化和报告提供了实际指导。

在研究电催化剂材料时，有必要制定基准和明确的性能指标。2013年，评估和报告OER电催化剂的基准协议出台。

ACS的这篇文章[2] 就如何根据粗糙度和几何表面积解释催化剂表面，以及如何执行和分析测量以有效比较电催化性能提供了实用建议。

析氧反应的非均相电催化剂基准测试（JACS，2013）

电化学测量中一个常见的混淆和不一致的来源是使用各种参比电极 (RE) 。电催化活性由特定生产率所需的过电位来判断（即HER或OER工艺的电流密度，图1）。需要三电极装置来测量电位，RE对于在相对尺度上定位该电位至关重要，允许比较不同组和不同条件下进行的测量。

在我们的免费应用说明中了解更多有关参比电极及其使用的信息。

AN-EC-002：参比电极及其使用

《ACS Energy Letters》 [3] 中的一篇2020年视点文章详细解释了如何报告电催化剂的过电位，重点介绍了常用的参考电极，如Hg/HgO、Hg/Hg₂Cl₂（SCE）和Ag/AgCl。

如何可靠地报告电催化剂的过电位（ACS，2020）

可逆氢电极（RHE）是另一种常用的RE，非常适合HER和OER研究。ACS Catalystation近期的一篇文章 [4]解释了为什么RHE是电解研究的理想参比电极，并解释了如何制备RHE并使用RHE。按照惯例，所有标准氧化还原电位都是相对于标准氢电极（SHE）报告的。RHE是SHE的pH依赖性延伸，是指质子在非标准条件下的还原，如能斯特方程所述。

标准和可逆氢电极：理论、设计、操作和应用（ACS，2020）

电解槽在酸性和碱性条件下运行，因此，在pH范围内研究HER和OER（图1）。RHE适用于任何pH值，它与HER和OER对pH值的依赖性相同。

共同立场

找到这些不同领域之间的共同语言和理解至关重要。这篇JOC synopsis article[5]阐明了有机化学家的电化学概念。这篇文章非常直观，提供了连接自由能、氧化还原电位和过电位等概念的示意图。平衡热力学有助于提供所有化学家都能涉及的共同参考点。

“我应该如何看待电压？什么是过电位？”：建立电化学的有机化学直觉（JOC，2021）

热力学分析通常用于量化电解槽和电解堆的能量效率。《Journal of Power Sources》[6] 近期的一篇评论文章强调了学术和工业文献中对能效系数的不同定义。这篇文章提供了各种条件下的推导，并提醒读者在分析中必须同时考虑电和热。

近环境温度条件下水电解槽能效系数的计算方法(J. Power Sources 2020)

总结

这篇博文中强调的文章只是众多资源中的一小部分，这些资源可用于在致力于改进绿色制氢技术的所有研究人员之间建立共识和更好的合作。当疫情病毒大流行时，研究界仍在热情地进行着工作。

公开和免费举行的在线研讨会和工作组将来自世界各地的跨学科科学家聚集在一起。这一系列将持续不断地提供专业知识，以及专家们的个人观点，一起来解决电化学中的基本主题。

电化学线上讲座

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AN-EC-027：使用VIONIC 威欧测量对电极上的电位——酸性介质中铂氧化还原的案例研究

AN-EC-003：欧姆降第1部分-基本原理

AN-EC-004：欧姆降第2部分-测量

AN-EC-007：数字扫描、模拟扫描和信号集成之间的差异

参考资料

1. Green Hydrogen Cost Reduction: Scaling up Electrolysers to Meet the 1.5°C Climate Goal; International Renewable Energy Agency: Abu Dhabi, 2020.
2. McCrory, C. C. L.; Jung, S.; Peters, J. C.; et al. Benchmarking Heterogeneous Electrocatalysts for the Oxygen Evolution Reaction. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135 (45), 16977–16987. doi:10.1021/ja407115p
3. Niu, S.; Li, S.; Du, Y.; et al. How to Reliably Report the Overpotential of an Electrocatalyst. ACS Energy Lett. 2020, 5 (4), 1083–1087. doi:10.1021/acsenergylett.0c00321
4. Jerkiewicz, G. Standard and Reversible Hydrogen Electrodes: Theory, Design, Operation, and Applications. ACS Catal. 2020, 10 (15), 8409–8417. doi:10.1021/acscatal.0c02046
5. Nutting, J. E.; Gerken, J. B.; Stamoulis, A. G.; et al. “How Should I Think about Voltage? What Is Overpotential?”: Establishing an Organic Chemistry Intuition for Electrochemistry. J. Org. Chem. 2021, 86 (22), 15875–15885. doi:10.1021/acs.joc.1c01520
6. Lamy, C.; Millet, P. A Critical Review on the Definitions Used to Calculate the Energy Efficiency Coefficients of Water Electrolysis Cells Working under near Ambient Temperature Conditions. J. Power Sources 2020, 447, 227350. doi:10.1016/j.jpowsour.2019.227350