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　　電解水制氫工作原理

　　電解水制氫的原理

　　一、在工業上通常采用如下幾種方法制取氫氣：一是將水蒸氣通過灼熱的焦炭(稱為碳還原法)，得到純度為75%左右的氫氣;二是將水蒸氣通過灼熱的鐵，得到純度在97%以下的氫氣;三是由水煤氣中提取氫氣，得到的氫氣純度也較低;第四種方法就是電解水法，制得的氫氣純度可高達99%以上，這勝業上制備氫氣的一種重要方法。在電解氫氧化鈉(鉀)溶液時，陽極上放出氧氣，陰極上放出氫氣。電解氯化鈉水溶液制造氫氧化鈉時，也可得到氫氣。

　　對用于冷卻發電機的氫氣的純度要求較高，因此，都是采用電解水的方法制得。

　　二、電解水制氫原理

　　所謂電解就是借助直流電的作用，將溶解在水中的電解質分解成新物質的過程。

　　1、電解水原理

　　在一些電解質水溶液中通入直流電時，分解出的物質與原來的電解質*沒有關系，被分解的是作為溶劑的水，原來的電解質仍然留在水中。例如、氫氧化鈉、氫氧化鉀等均屬于這類電解質。

　　在電解水時，由于純水的電離度很小，導電能力低，屬于典型的弱電解質，所以需要加入前述電解質，以增加溶液的導電能力，使水能夠順利地電解成為氫氣和氧氣。

　　氫氧化鉀等電解質不會被電解，現以氫氧化鉀為例說明：

　　(1)氫氧化鉀是強電解質，溶于水后即發生如下電離過程：

　　于是，水溶液中就產生了大量的K+和OH-。

　　(2)金屬離子在水溶液中的活潑性不同，可按活潑性大小順序排列如下：

　　K>Na>Mg>Al>Mn>Zn>Fe>Ni>Sn>Pb>H>Cu>Hg>Ag>Au

　　在上面的排列中，前面的金屬比后面的活潑。

　　(3)在金屬活潑性順序中，越活潑的金屬越容易失去電子，否則反之。從電化學理論上看，容易得到電子的金屬離子的電極電位高，而排在活潑性大小順序前的金屬離子，由于其電極電位低而難以得到電子變成原子。H+的電極電位

　　=-1.71V，而K+的電極電位

　　=-2.66V，所以，在水溶液中同時存在H+和K+時，H+將在陰極上首先得到電子而變成氫氣，而K+則仍將留在溶液中。

　　(4)水是一種弱電解質，難以電離。而當水中溶有KOH時，在電離的K+周圍則圍繞著極性的水分子而成為水合鉀離子，而且因K+的作用使水分子有了極性方向。在直流電作用下，K+帶著有極性方向的水分子一同遷向陰極，這時H+就會首先得到電子而成為氫氣。　　2、水的電解方程

　　在直流電作用于氫氧化鉀水溶液時，在陰極和陽極上分別發生下列放電反應，見圖8-3。

　　圖8-3 堿性水溶液的電解

　　(1)陰極反應。電解液中的H+(水電離后產生的)受陰極的吸引而移向陰極，接受電子而析出氫氣，其放電反應為：

　　(2)陽極反應。電解液中的OH-受陽極的吸引而移向陽極，最后放出電子而成為水和氧氣，其放電反應為：

　　陰陽極合起來的總反應式為：

　　電解

　　所以，在以KOH為電解質的電解過程中，實際上是水被電解，產生氫氣和氧氣，而KOH只起運載電荷的作用。

　　三、電解電壓

　　在電解水時，加在電解池上的直流電壓必須大于水的理論分解電壓，以便能克服電解池中的各種電阻電壓降和電極極化電動勢。電極極化電動勢是陰極氫析出時的超電位與陽極氧極出時的超電位之和。因此，水電解電壓U可表示為：

　　式中U0——水的理論分解電壓，V;

　　I——電解電流，A;

　　R——電解池的總電阻，Ω;

　　——氫超電位，V;

　　——氧超電位，V。

　　從能量消耗的角度看，應該盡可能地降低電解電壓。下面討論影響電解電壓的幾個因素：

　　(1)水的理論分解電壓UO。熱力學的研究得出：原電池所做的較大電功等于反應處由能變的減少，即：

　　式中

　　——標準狀態下電池反應的吉布斯自由能變，J/mol;

　　n——反應中的電子轉移數;

　　F——法拉第常數，96500C/mol;

　　E0——標準狀態下反應的標準電動勢，V。

　　在生成水的化學反應中，自由能變為-474.4kJ/mol，即

　　2H2(g)+O2(g)=2H2O (1)

　　這是一個氧化還原反應，在兩個電極上的半反應分別為：

　　O2+4H++4e=2H2O

　　2H2=4H++4e

　　電子轉移數n=4，由

　　=-NFE0得

　　-474.4×103=--4×96500E0

　　可見，在0.1MPa和25℃時，U0=1.23V;它是水電解時必須提供的最小電壓，它隨溫度的升高而降低，隨壓力的升高而增大，壓力每升高10倍，電壓約增大43mV.