推出采用透明电解器的PEM电解技术，用于实践性电化学教育

《Journal of Chemical Education》：Introducing PEM Electrolysis with a Transparent Electrolyzer for Hands-on Electrochemistry Education

质子交换膜电解水装置设计及教学应用，通过透明结构可视化电极反应，详细提供构造方案和实验评估，探讨其对绿色氢能教育的重要性。

　　水的电解是一种经典的电化学现象，常被用作教学演示，尤其是在中学和大学阶段。然而，当学生进一步接触到固体聚合物电解质，如质子交换膜（PEM）时，往往会感到困惑，因为这些材料引入了新的复杂性。本文旨在介绍PEM电解的基本原理，并提供一种适用于课堂演示或作为初步实验装置的教育设备。通过透明设计，学生能够直观地观察到电解过程中发生的电化学现象，从而加深对相关概念的理解。本文还提供了详细的构建信息，便于实验装置的复制，并探讨了多种教学应用，以及激发讨论的示例工作表。PEM电解作为一种潜在的变革性技术，可以推动绿色可持续氢的生产，其原料来自可再生能源。

电解水产生氢气和氧气（2 H?O → 2 H? + O?）这一过程自18世纪末以来一直吸引着科学家的兴趣，并在电化学的早期发展中发挥了重要作用。时至今日，这一实验仍然是培养年轻科学家的基础，也是学生首次接触电化学的常见方式。沿着著名科学家迈克尔·法拉第的足迹，我们也可以观察到电流如何驱动化学反应，并从这一简单实验中推导出一些基本的电化学概念。然而，水的电解不仅仅是科学上的趣味，它还是工业生产绿色氢气和氧气的重要过程。氢气虽然在银河系中最为常见，但在地球上却很少以单质形式存在，通常被锁定在水或有机分子如化石燃料中。目前，地球上超过99%的氢气生产依赖于二氧化碳排放的工艺，如甲烷的蒸汽甲烷重整。鉴于人为二氧化碳排放与可能造成灾难性气候变化之间的明确联系，减少来自化石燃料的氢气生产并转向清洁、低碳的替代方案（即绿色氢气）至关重要。水的电解是实现这一转变的关键技术之一。

氢气作为一种重要的化学物质，2023年的全球消费量达到了9700万吨。它主要用于化工行业和化石燃料的精炼过程。氢气的一个显著应用是在哈伯-博世工艺（N? + 3H? → 2NH?）中，该工艺主要用于生产氨，从而支持全球粮食生产，因此可以被认为是20世纪最重要的发明之一。另一个应用是作为“氢能经济”中的潜在能量载体，这一概念由著名的电化学家约翰·博克里斯提出。如图1所示，水电解器（EC）在未来的可持续氢能经济中扮演着关键角色。

水的电解是一种常见的教学演示，已有许多关于其演示方法的报告。它能够展示多种电化学现象，包括使用pH指示剂来清楚地显示在有限质量传输条件下电极处H?的消耗和生成。此外，这一简单演示还可以用于推导基本常数，如电子电荷。然而，为了简化和/或更容易理解，大多数演示与实际工业电解器的设计存在差距，例如电极之间的距离通常较大，或者通过限制质量传输条件来显示pH梯度的形成。电化学工程专业的学生将从操作、组装和测试既符合实验室规模又接近实际的电解器中受益。已有少数关于碱性电解和PEM电解的报告，旨在展示电化学工程原理，但大多数教育演示报告中与微型现实设备相似的主要是氢燃料电池。工业上可以购买小型教育用EC设备，这些设备可以用于进行类似实验。

本文旨在回顾水电解的基本原理，同时注意当前的发展和研究挑战。我们介绍了教育规模的PEM电解器的设计、构建和组装方法，用于教学演示或实验室实践。该设计经过优化，以最大化对电解器内部的观察，使气泡的产生可以被看到。最后，评估了教育电解器的性能，并讨论了其在教学中的应用。

水的电解是一种常见的教学演示，已有许多关于其演示方法的报告。它能够展示多种电化学现象，包括使用pH指示剂来清楚地显示在有限质量传输条件下电极处H?的消耗和生成。此外，这一简单演示还可以用于推导基本常数，如电子电荷。然而，为了简化和/或更容易理解，大多数演示与实际工业电解器的设计存在差距，例如电极之间的距离通常较大，或者通过限制质量传输条件来显示pH梯度的形成。电化学工程专业的学生将从操作、组装和测试既符合实验室规模又接近实际的电解器中受益。已有少数关于碱性电解和PEM电解的报告，旨在展示电化学工程原理，但大多数教育演示报告中与微型现实设备相似的主要是氢燃料电池。工业上可以购买小型教育用EC设备，这些设备可以用于进行类似实验。

本文旨在回顾水电解的基本原理，同时注意当前的发展和研究挑战。我们介绍了教育规模的PEM电解器的设计、构建和组装方法，用于教学演示或实验室实践。该设计经过优化，以最大化对电解器内部的观察，使气泡的产生可以被看到。最后，评估了教育电解器的性能，并讨论了其在教学中的应用。

水的电解过程涉及电化学反应，这些反应通常需要在一定的条件下进行。通过电解水，可以产生氢气和氧气，这需要一定的能量输入。在这一过程中，电流的作用至关重要，它驱动了原本不自发的反应。在实验室环境中，通过控制电流和电压，可以观察到电解反应的动态过程。这种实验不仅有助于理解电化学的基本原理，还能展示实际应用中的挑战和解决方案。

水的电解器由多个关键组件构成，包括膜电极组件（MEA）、质子交换膜（PEM）、电极、气体扩散层（PTL）等。MEA作为电解器的核心组件，由催化剂和质子交换膜组成，通过其结构和功能，能够实现高效的质子传输和反应。PEM作为固态电解质，主要负责在电极之间传输质子，同时减少气体产物的交叉。在实际操作中，需要精确控制电解器的温度和流速，以确保反应的效率和安全性。

在实验过程中，观察气泡的产生和分布是理解电解反应的重要手段。通过透明的电解器设计，学生可以直观地看到反应过程中气泡的形成和流动。此外，通过调整流速和温度，可以进一步研究反应的动力学和热力学行为。这些实验不仅能够帮助学生掌握基本的电化学知识，还能激发他们对绿色氢能生产的兴趣。

水的电解作为一种可持续的能源技术，具有广阔的应用前景。通过使用可再生能源，可以减少二氧化碳排放，从而降低对环境的影响。然而，目前的电解技术仍面临一些挑战，如催化剂的使用、膜的性能和成本等。因此，研究和开发更高效、更经济的电解材料和工艺是实现绿色氢能生产的关键。

在教学实践中，使用教育电解器能够让学生更直观地理解电解过程，同时培养他们的实验技能和科学素养。通过实际操作和观察，学生可以更好地掌握电化学的基本原理，如电流、电压、电极反应等。此外，教育电解器的设计还能够帮助学生了解实际工业应用中的问题和解决方案，如催化剂的寿命、膜的稳定性等。

在实验过程中，安全问题同样不可忽视。氢气具有高度的可燃性，因此在实验中必须采取适当的措施，确保氢气和氧气的通风和隔离。此外，实验过程中需要使用个人防护装备，如实验室安全眼镜，以保障实验人员的安全。通过这些安全措施，教育电解器能够在保证安全的前提下，为学生提供一个安全、有效的实验平台。

通过教育电解器的使用，学生可以更好地理解PEM电解的原理和应用，同时培养他们的实验技能和科学素养。这种教育工具不仅能够帮助学生掌握基础的电化学知识，还能激发他们对绿色氢能生产的兴趣。通过实验和观察，学生可以更直观地看到电解反应的过程，从而加深对相关概念的理解。

总之，水的电解作为一种基础且重要的电化学过程，具有广泛的应用前景。通过教育电解器的设计和使用，学生可以更好地理解其原理和应用，同时培养他们的实验技能和科学素养。这种教育工具不仅能够帮助学生掌握基础的电化学知识，还能激发他们对绿色氢能生产的兴趣。通过实验和观察，学生可以更直观地看到电解反应的过程，从而加深对相关概念的理解。