Meta l-elettrodi huma konnessi ma 'sors ta' enerġija esterna, jiffurmaw ċirkwit elettriku. L-elettrodu tal-anodu fl-apparat taċ-ċellula elettrolitika huwa konness mal-elettrodu pożittiv tal-provvista tal-enerġija esterna, u l-elettrodu tal-katodu huwa konness mal-elettrodu negattiv tal-provvista tal-enerġija esterna. Pereżempju, waqt l-elettroliżi tal-ilma biex tipproduċi idroġenu u ossiġnu, id-direzzjoni tal-fluss tal-elettroni hija mill-elettrodu negattiv tal-provvista tal-enerġija esterna, għall-katodu taċ-ċellula elettrolitika, għall-anodu taċ-ċellula elettrolitika, u mbagħad għall-pożittiv elettrodu tal-provvista tal-enerġija esterna, filwaqt li d-direzzjoni tal-fluss tal-kurrent hija eżattament l-oppost (L-elettroni għandhom ħlas negattiv). Għalhekk, ir-reazzjoni ta 'tnaqqis H + (jiġifieri, il-proċess HER) isseħħ fuq il-materjal tal-katodu taċ-ċellula elettrolitika biex tiġġenera H2, u r-reazzjoni ta' ossidazzjoni (jiġifieri, OER) li tiġġenera idroġenu u ossiġnu fl-ilma elettrolizzat isseħħ fuq il-materjal tal-anodu taċ-ċellula elettrolitika biex tiġġenera O2. Sabiex tiġi żgurata l-effiċjenza tax-xogħol taċ-ċellula elettrolitika kollha, il-materjal ta 'l-elettrodu taċ-ċellula elettrolitika għandu r-rekwiżiti li ġejjin: għandu konduttività tajba ta' trasmissjoni ta 'elettroni u jista' jikkatalizza r-reazzjoni ta 'ossidazzjoni-tnaqqis korrispondenti.
HER hija reazzjoni li taġixxi fuq il-katodu waqt il-qsim tal-ilma elettrokatalitiku. Tafel skopraha fl-1905. Ir-reazzjoni tal-evoluzzjoni tal-idroġenu fuq il-wiċċ tal-metall f'medja aċiduża hija kif ġej:
F'midja alkalina jew newtrali:
Fir-reazzjoni ta 'hawn fuq, M huwa l-materjal tal-metall tal-elettrodu, u l-proċess ta' produzzjoni tal-idroġenu u l-ossiġnu fl-elettroliżi tal-ilma huwa idroġenu adsorbit mill-metall M. Ir-reazzjoni Volmer tissejjaħ il-pass tal-assorbiment tal-idroġenu, ir-reazzjoni Heyrovsky tissejjaħ il-pass ta 'desorbiment elettrokimiku, u r-reazzjoni Tafel tissejjaħ il-pass ta' desorbiment kimiku (minn adsorbiment għal desorbiment elettrokimiku għal proċess ta 'desorbiment kimiku). Ir-reazzjoni ta ' l-evoluzzjoni ta ' l-idroġenu hija prodott intermedju tipiku kkatalizzat reazzjoni ta ' trasferiment ta ' elettroni doppju. Minħabba s-sewqan tal-potenzjal estern, l-elettrodu jikseb produzzjoni attiva ta 'idroġenu u ossiġnu mill-elettrolit biex elettrolizza l-ilma. L-atomi adsorbiti mbagħad jikkombinaw permezz ta 'proċess ta' desorbiment biex jipproduċu idroġenu. Permezz tal-analiżi tal-ekwazzjoni preċedenti, wieħed jista 'jara li l-mekkaniżmi ta' reazzjoni u l-mogħdijiet li jseħħu f'midja elettrolitika differenti huma differenti. Fi kwalunkwe każ, l-evoluzzjoni tal-HER għaddiet minn tliet passi bażiċi:
a) Reazzjoni Volmer: Dan il-proċess huwa proċess ta 'trasferiment ta' elettroni, magħruf ukoll bħala proċess elettrokimiku. B'mod ġenerali, f'elettrolit aċiduż, H + jikseb elettron biex jipproduċi idroġenu u ossiġnu fl-ilma elettrolitiku. Fl-elettroliti alkalini, H2O jista 'jsir elettroni. Il-proċess ta 'produzzjoni ta' idroġenu u ossiġnu fl-elettroliżi tal-ilma u l-proċess ta 'produzzjoni ta' idroġenu u ossiġnu fl-elettroliżi tal-ilma huma faċli biex tarahom fl-elettroliti aċidużi; ir-reazzjoni Volmer m'għandhiex għalfejn tegħleb ir-reżistenza tal-molekuli tal-ilma. Aqra mill-barriera tal-enerġija. Għalhekk, il-proċess HER iseħħ aktar faċilment taħt kundizzjonijiet aċidużi meta mqabbel ma 'elettroliti alkalini.
(b)Heyrovsky: Huwa msejjaħ proċess ta 'desorbiment elettrokimiku. Huwa proċess li fih il-proton iġġenerat mill-elettroliżi tal-idroġenu u l-ossiġnu fl-ilma u l-elettroliżi ta 'H + jew H2O fl-elettrolit jikseb elettron biex jifforma molekula H2, u mbagħad jgħaddi minn desorbiment u preċipitazzjoni.
(c) Reazzjoni Tafel: Huwa msejjaħ il-proċess ta 'desorbiment kompost, li huwa sempliċiment deskritt bħala l-konverżjoni ta' idroġenu u ossiġnu prodotta mill-elettroliżi tal-ilma f'H2 f'elettroliti alkalini u aċidużi.
Proċess komplut HER jinkludi proċess elettrokimiku u proċess ta 'desorbiment f'pass wieħed, għalhekk l-elettrokataliżi ta' HER hija ġeneralment deskritta bħala l-mekkaniżmu Volmer-Heyrovsky jew Volmer-Tafel. Dawn it-tliet passi ta 'reazzjoni jistgħu jkunu l-proċess deċiżiv tar-reazzjoni HER, u l-proċess dinamiku tar-reazzjoni huwa ġeneralment iddeterminat mill-inklinazzjoni Tafel tal-kurva tal-polarizzazzjoni HER.
It-teorija tal-iskarigu bil-mod hija bbażata fuq l-osservazzjoni li l-pass ta 'reazzjoni elettrokimika (reazzjoni Volmer) huwa l-pass deċiżiv. It-teorija tad-desorbiment elettrokimiku hija bbażata fuq l-osservazzjoni li l-pass tad-desorbiment elettrokimiku (reazzjoni Heyrovsky) huwa l-pass deċiżiv. Skont it-teorija tat-taħlit, il-pass deċiżiv huwa l-pass ta 'desorbiment kumpless (reazzjoni Heyrovsky-Tafel).
Analiżi ulterjuri turi li fir-reazzjoni ta 'evoluzzjoni ta' l-idroġenu, il-partiċelli ta 'reazzjoni l-ewwel jiġu adsorbiti fuq il-wiċċ tal-katalizzatur b'ċerta forza biex jiffurmaw intermedji ta' reazzjoni (M-il-proċess ta 'produzzjoni ta' idroġenu u ossiġnu fl-ilma elettrolizzat), u mbagħad M-the proċess ta 'produzzjoni ta' idroġenu u ossiġnu fl-ilma elettrolizzat. Il-bond jinkiser biex jipproduċi H2. Għalhekk, l-enerġija ħielsa tal-assorbiment tal-idroġenu ΔGH hija deċiżiva għar-rata ġenerali tar-reazzjoni tal-evoluzzjoni tal-idroġenu. Ovvjament, il-kapaċità ta 'assorbiment ta' l-elettrodu hija direttament relatata mar-rwol tal-katalizzatur. Fil-każ ta 'adsorbiment dgħajjef, ir-reazzjoni Volmer hija inibita, għalhekk, il-pass li jikkontrolla r-rata huwa l-Volmer innifsu. Meta l-azzjoni qawwija tal-katalizzatur tkisser ir-rabtiet tal-proċess tal-ġenerazzjoni tal-idroġenu u l-ossiġnu tal-ilma M-elettrolitiku biex tifforma H2, il-proċess ta 'desorbiment tar-reazzjoni (Heyrovsky-Tafel) se jsir il-proċess deċiżiv. Għalhekk, għal katalizzatur tal-evoluzzjoni tal-idroġenu, ġeneralment jitqies li l-enerġija ħielsa tal-assorbiment tal-idroġenu fuq il-wiċċ tal-katalizzatur ΔGH≈0 hija l-aħjar.
Fattur ieħor importanti li jmexxi l-attività katalitika hija d-densità tal-kurrent; fil-fatt, ir-relazzjoni bejn id-densità tal-kurrent tal-iskambju HER u l-enerġija ħielsa tal-idroġenu adsorbit tidher hawn taħt:
Varjazzjoni tad-densità tal-kurrent b'enerġija ħielsa mill-katalist
Din il-figura tiddeskrivi l-attività katalitika ta 'metalli differenti, imsejjaħ il-prinċipju Sabatier, li jista' jintuża biex jiddeskrivi b'mod kwantitattiv il-proprjetajiet katalitiċi tal-katalizzatur u huwa wieħed mill-għodod importanti għad-disinn u l-iskrinjar tal-katalist HER.
OER huwa proċess li jiddependi fuq ħafna parametri, bħall-kompożizzjoni tal-materjal, l-istruttura tal-kristall, il-proprjetajiet tal-wiċċ u l-għamla. Ġeneralment huwa maħsub li l-mekkaniżmu ta 'reazzjoni huwa proċess ta' trasferiment ta 'erba' elettroni, li jeħtieġ erba 'passi ta' reazzjonijiet ta 'ossidazzjoni-tnaqqis biex jiġġenera O2. Għal din ir-raġuni, l-OER huwa aktar bil-mod meta mqabbel mal-HER; għalhekk, huwa l-fattur li jillimita li jiddetermina l-prestazzjoni ġenerali tal-unità tal-elettroliżi. Fil-fatt, għall-iżvilupp kollu tal-elettroliżi tal-ilma, l-anodu jeħtieġ li jkollu potenzjal eċċessiv ogħla relattiv għall-katodu.
Meta wieħed iqis l-imġieba ta 'erba' elettroni, OER huwa aktar kumpless minn HER. Il-mekkaniżmi OER ta 'katalisti differenti użati fiċ-ċelloli tal-elettroliżi (munzelli) huma wkoll differenti. Ir-reazzjonijiet ewlenin rikonoxxuti tal-evoluzzjoni tal-ossiġnu fil-midja aċiduża huma:
M huwa s-sit katalitikament attiv, u l-ewwel żewġ ekwazzjonijiet u l-aħħar ekwazzjoni u l-ewwel żewġ ekwazzjonijiet u l-aħħar żewġ ekwazzjonijiet huma paralleli għall-preċipitazzjoni tal-ossiġnu. F'midja aċiduża, metalli nobbli jintużaw bħala katalisti (Ir, Ru u l-ossidi tagħhom), filwaqt li metalli oħra mhumiex adattati bħala katalisti minħabba proċessi ta 'korrużjoni mgħaġġla. F'midja alkalina jew newtrali, ir-reazzjoni tevolvi kif ġej:
Id-differenza ewlenija mill-midja aċiduża hija l-assorbiment ta 'jonji idrossidu. Il-gruppi ta 'hydroxyl iffurmati fuq il-wiċċ tal-katalizzatur jiffurmaw anjoni ta' l-ossiġnu adsorbat, li huma skarikati aktar biex jiffurmaw atomi ta 'ossiġnu taħt id-deprotonazzjoni ta' OH- ieħor. Barra minn hekk, l-aħħar żewġ ekwazzjonijiet jindikaw li r-rabta M-OH tinkiser mal-bond OH biex tifforma perossidu, li mbagħad jiddekomponi biex jipproduċi ossiġnu. Il-pass tat-trasferiment tal-ħlas fir-reazzjoni ta 'hawn fuq huwa l-pass tal-veloċità deċiżiva, iżda għal materjali differenti u kundizzjonijiet ta' reazzjoni differenti, il-pass tal-veloċità deċiżiva huwa differenti, li jista 'jiġi identifikat skont id-daqs tal-inklinazzjoni Tafel. Ix-xjentisti żviluppaw varjetà ta 'elettrokatalizzaturi OER effiċjenti u stabbli biex jissostitwixxu materjali tal-metall prezzjuż, bħal ossidi tal-metall ta' transizzjoni, materjali perovskite, materjali mhux metalliċi bbażati fuq il-karbonju, eċċ. Fost dawn, perovskite sar elettrokatalizzatur OER użat ħafna minħabba tiegħu. struttura elettronika kumplessa u kontrollabbli.