上一篇文章简单介绍了碱性水电解制氢的隔膜，隔膜的两边是电催化剂（也叫电极、栅网等），本文将对碱性水电解的电催化过程和电催化剂进行分析介绍。
1.电极作用原理
碱性电解池腔体结构示意图
首先，制氢电解器中电催化剂的作用至关重要，它是电化学反应发生的场所，是决定制氢电解器产氢效率的根本因素。理论上水电解的电压为1.23V，热中性电压为1.48V，但在实际大型设备中，单个电解室的电压就达到2V左右，这是由于设备运行过程中电极的极化和电解器欧姆电阻的存在造成的。如下式所示：
U=E0+I*R0+E过电位
其中，U表示单个电解池总电压，E0表示理论分解电压（1.23V），I*R0表示电解池欧姆压降，E过电位表示电解过程中电极表面的电化学极化和浓差极化。在大电流密度操作下（工业电解池工作电流在3000-4000A左右），阴极和阳极的电化学极化占很大一部分。因此，电催化剂的性能是决定池电压和制氢效率的关键。
在碱性电解质中，阴极和阳极的化学反应为：2H2O+2e-=H2+2OH-，4OH--4e-=O2+2H2O。反应过程以及一些纳米尺度上的HER和OER反应的电化学表征这里就不展开了（虽然很重要），有兴趣的朋友可以参考相应的文献。本文主要从工程应用的角度，对目前大规模应用的碱性水电解制氢催化剂进行讨论。
2. 电极材料与结构
目前，从科研角度看，用于碱性水电解的催化剂种类较多，有贵金属基催化剂（Pt、Pd、Au、Ag等）、非贵金属基催化剂（Fe、Co、Ni等）、非金属基催化剂（碳材料等）。但目前大型电解池中采用的催化剂多为Ni基、纯镍网或泡沫镍，或喷涂在此基体上的高活性Ni基催化剂（雷尼镍、活化硫化镍、NiMo合金、或活化NiAl等）。一个电解室内有两块催化剂，一块在阴极，一块在阳极，分布在隔膜两侧并与隔膜直接接触。其形状一般与电解池形状一致（通常为圆形），其几何面积等于电解池有效面积。
在催化剂方面，有两个问题值得讨论：
（1）首先，为什么要用Ni基催化剂呢？我总结了以下几点原因：
Ni基催化剂制备工艺成熟
目前镍网、镍毡、镍泡沫等产品已经比较成熟，镍网的宽度可以满足大型碱性水电解制氢设备的应用，并且镍网的目数和厚度可以很好的控制。
镍基催化剂相对便宜
在碱性溶液条件下，Ni基催化剂在一定的电池电压下能够表现出较高的电流密度，而且金属Ni的价格相对较低，在保证一定性能的同时可以有效降低电极的成本。
极板与催化剂之间的接触腐蚀
这时候做科研的同学可能会有疑问，现在那么多新材料为什么不用了呢？这就涉及到很多做催化材料的科研人员可能没有考虑到的一个问题---催化剂与极板之间的接触腐蚀（）。接触腐蚀也叫电偶腐蚀，是两种不同的金属相互接触，同时处于电解液中，引起的电化学腐蚀。因为它们组成自发电池，所以被腐蚀的金属是活性较强的金属，是阳极。
一般来说，催化剂所用的材料决定了与催化剂接触的极板上需要镀上什么材料。假设极板是碳钢材质，催化剂是Ni材质，由于Fe比Ni活泼（可以参考标准电极电位表或者从元素周期表中定性分析），Fe在电解液中容易腐蚀，也就是腐蚀极板。所以实际操作中，要在极板表面镀上一层镍，解决接触腐蚀的问题。如果采用更昂贵的贵金属催化剂（Au、Pt等），催化性能肯定会提高，但是为了避免接触腐蚀的问题，需要在与催化剂接触的极板上镀上一层贵金属，成本可想而知。当然，如果电解槽用在潜艇、航天等不考虑成本的领域，那就另当别论了。所以采用Ni基催化剂，可以降低大型电解槽的总体制造成本。
（2）还有一个问题，既然我们知道目前电极都是由Ni基金属制成的，那么该电极的几何结构是怎样的呢？
镍网一般由40-60目镍丝网剪成圆形而成，镍丝直径约200um。镍丝网结构虽然简单，但其表面积比镍板大得多，在同样的槽电压下，发生电化学反应的场所更多，可以产生更大的电流。
镍网图片
（3）如何进一步优化电极材料，以提高电解池的电流密度？
随着可再生能源制氢产业的不断发展，对大型电解槽设备的要求越来越高，简单的小室叠加会造成电解槽长度过长，不利于电解槽的组装安装，还存在电解槽中部下沉等诸多问题。因此通过优化催化剂来提高电流密度是一条可行的路径。根据法拉第定律，在电极界面发生化学变化的物质的质量与传入的电量成正比。提高电流密度的关键是在给定的小室电压下，提高催化剂表面电化学反应的速率，而这取决于催化剂的两个方面特性，即催化位点数量和催化位点的本征活性。
单纯通过优化Ni网的结构可能难以进一步提高位点数量和本征活性，因此我们可以在更微观的尺度上进行优化，如以Ni网为基底，喷涂比表面积更大的雷尼镍催化剂。利用雷尼镍催化剂的多孔结构进一步提高其比表面积（商业雷尼镍平均比表面积约100㎡/g），这样在给定的电池电压下有更多的位点参与水电解反应，电流密度将进一步提高。
雷尼镍业公司
结论
目前碱性水电解制氢的电解槽效率只能达到60%左右，其原因就是电解槽达到目标电流密度所需要的电压过高，导致效率降低。为了降低槽电压，从催化剂方面来说，需要进一步提高催化剂的催化性能，降低阴极和阳极的过电位，从而提高电解槽整体的效率。
也可以从电化学和催化的角度进一步探究水电解催化剂的原理和未来的发展方向，欢迎感兴趣的朋友交流讨论。