电解水制氢应该是最‘捷径’的方法，水资源丰富，水中只含氢和氧，制出的氢和氧纯度高，氢和氧都是工业重要原料。可是，传统的电解水制氢方法耗电太多，成本高，该方法在制氢行业中所占的比例小。所以科学工作者一直在寻找电解水制氢的新方法。总的目标是成本更低手段简洁，技术路线的方向在于，阳极和阴极材料要对水的离子的分离起到催化作用，还采用‘离子膜技术’让离子单向运动。

  传统的电解水制氢方法有几个特点，阳极、阴极采用Ni-Mo合金，起到催化作用，隔离膜采用的是石棉，阴极一侧采用的是碱性水。该方法简单，工艺成熟，可是成本过高，制氢的效率不高。

  2014年，加拿大某公司提出‘离子交换膜’技术（速写为PEM），性能优异，并正式投产，总体效率达74%~87%。

  在PEM技术中，水中的氢离子穿过质子交换膜与电子结合成为氢原子，氢原子相互结合形成氢分子。这项技术能在中、高电流和高电压下工作，启停快速方便，在工业制氢中该技术占据了重要的位置。近几年，我国就准备建造1000多个这样的制氢站。

  PEM水电解槽主要部件由内到外依次是质子交换膜、阴阳极催化层、阴阳极气体扩散层、阴阳极端板等。其中扩散层、催化层与质子交换膜组成膜电极，是整个水电解槽物料传输以及电化学反应的主场所，膜电极特性与结构直接影响PEM水电解槽的性能和寿命。

  目前所用的‘质子交换膜’多为‘全氟磺酸膜’，制备工艺复杂，长期被美国和日本企业垄断，质子交换膜价格高达几百~几千美元/m2。现在，国内和国外都在重点攻关新材料，希望减少相关成本。

  交换膜减少相关成本很重要。现在的研究方向在于，‘改性全氟磺酸质子交换膜’、‘有机/无机纳米复合质子交换膜’和‘无氟质子交换膜’。

  电催化剂降低成本也很重要。电催化剂长期处在强酸性环境下，易发生腐蚀、团聚、流失等问题，现在通常用‘钯金’（也就是‘铂金’），开发适应酸性环境的非贵金属析氢催化剂成为研究热点。

  膜电极减少相关成本也很重要。现在主流的制备方法是，将催化剂活性组分直接涂覆在质子交换膜两侧。

  我国也在独自研究关于PEM技术的新材料。我国准备全力发展PEM制氢技术。特别是全力发展可再次生产的能源（风、光、水电能）制氢，这是绿色低碳制氢方式。有了大量的灵活可用的氢，不仅可远距离调节用氢的能源需要，而且能调节电网电网用电的波动性。

  高温固态氧化物电解水制氢主要特征在于：采用固体氧化物为电解质材料，工作时候的温度在800～1000℃，制氢效率明显提高，不过该技术还没市场化。

  该技术的电极采用具有催化功能的‘非贵金属’；阴极材料可选用镍做成‘多孔金属陶瓷’，可有效地解决腐蚀问题和催化问题；例如阳极多孔材料可选用钙钛氧化物，能够更好的起到抗氧化作用；电解质材料主要是为了支撑并隔开电极，隔开氢气和氧气，还要让氧离子通过，例如可选用掺有稀土的氧化锆；高温是为了让水分子在催化剂作用下更容易裂解为‘氢离子’和‘氧离子’，高温能大大的提升反应的稳定性和产出效率；在直流电压和上述机制的作用下，发生的反应为

  该技术的初步试验效果还是令人满意的，成本已经能够降低为传统电解水制氢成本的一半了。但该技术目前还处在进一步深化探索的阶段。中国和其它国家的科学工作的人都在抓紧时间解决下列问题：1）更好的阳极阴极电解质材料，最近有人用‘在镍中掺有锰、铁、磷，做成泡沫状，再在表面包裹石墨烯’做阴极材料，有人用‘尖晶石（金属氧化物）’做阳极材料，逐渐增强了催化作用和抗腐蚀效果；2）电解池的寿命；3）余热利用问题；4）进一步探索更好的结构。人们希望，进一步减低成本，尽快商用。

  有一种弱电制氢技术，把‘多结太阳能电池’（参见本系列123）输出的电能直接电解水制氢，这是一种弱电制氢方法。该技术的重点是催化剂要高效，有科学工作的人用钴金属、磷做催化剂，用铟、锡氧化物做成电极，电极和催化剂都置于水中，依靠‘多结太阳能电池’输出产生的弱电流，在电催化作用下，水被分解为氢气和氧气。

  该技术的亮点在于，一是电极和催化剂廉价易得；二是在常温下进行；三是水被电催化前后都是中性的，不会像酸性（或碱性）水对电极有腐蚀作用。

  还有一种弱电制氢技术，该技术在制作结构上下功夫。利用原子沉积法将二氧化钛原子沉积到半导体电极表面（或者说，半导体电极外覆盖了二氧化钛纳米保护层），再在二氧化钛外面覆盖一层增强催化功能的二硫化钼纳米层，催化剂层二硫化钼和保护层二氧化钛形成了一个互相镶嵌的结构。用这种‘电极加催化剂’的方法，弱电制氢。

  该技术的亮点在于，一是在制作稳定的光电极材料方面开拓了全新的方向；二是催化剂二硫化钼廉价易得，降低了分解水的成本。

  还有一种弱电制氢技术，该技术在增发紫外光方面下功夫。各位明白，紫外光是能分解水的，于是有科技工作人员做过实验，用TiO2做催化剂，用紫外光照射，能分解水。

  但是可见光中含有的紫外光分量少，于是有科技工作人员制作了‘利用可见光激发紫外光的材料’，这样就可以让可见光产生更多的紫外光，这样就实现‘可见光分解水’的目的。

  在太阳光中，紫外光的波长400 nm，可见光的波长400 nm，红外光的波长760nm，只有紫外光能分解水。现在的问题是，用什么波长的紫外光去分解水为好？这样的一个问题好解决，假设我们要分解纯净水，人类能测得‘纯净水的紫外光的光谱频率峰值’，这一种评率的紫外光就是分解水最合适的频率，于是按照这一种评率去设计‘激发紫外光的材料’就会有显著效果了。

  电解水的关键是要实现低成本，低成本分解水很有实用前景，很有几率会成为普遍应用的技术，有很大的可能性成为绿色能源的主体之一。该技术一定会普及的理由如下：

  1.太阳能或其它‘弱电供电装置’可以和‘弱电制氢装置’组合使用，可做到全天候制氢制氧。

  2.电解水制氢如果得到的是氢和氧的混合气体，现在的‘离子膜技术’，储氢材料技术，很容易将氢气和氧气分离。

  3.电极和催化剂统一，能制作成多孔形式，也可以覆盖催化更有效的纳米材料，制作流程与工艺成熟，制作价格低廉。

  4.无论是理论研究方法还是器件制作的过程都已经有了成熟的技术上的支持。剩下的问题是，需要更加多的优秀工程师共同参与去实现这些实用装置。基于此，可以说，电催化水的实用装置离面市已经不远了。

  众所周知，氢气应用广泛。氢气可作为一种能源材料，它不但可以直接燃烧产生能量，也能够适用于燃料电池产生电流；还有，氢气是一种常用的化学中间体，能够最终靠不同的工业过程，生产出氮化物，醇类物质和甲烷等；氢气的应用太广了。

  如果电催化水的技术实用起来，清洁能源将是取之不尽的，人们都期待着这一天。