هیدروژن به عنوان حامل انرژی ایده آل به دلیل مزایایی همچون وزن سبک، بدون مشکل زیست محیطی و دانسیته انرژی بسیار بالا (kJ/g ~143) به عنوان جایگزین مناسب و امیدوار کننده برای سوخت های فسیلی مطرح می شود. فن آوری شکافت آب از طریق خورشید و الکتریسیته، مسیری جذاب و موثر برای تولید هیدروژن مطرح می شود.
شکافت آب یا الکترولیز آب، هیدروژن و اکسیژن را از طریق HER و OER تولید می کند.در آند، آب به گاز اکسیژن، پروتون ها و الکترون ها شکافته می شود. در کاتد، از ترکیب پروتون ها و الکترون ها گاز هیدروژن آزاد می شود. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، الکترولایزر شامل سه بخش محلول الکترولیت، آند و کاتد است.
بسته به نوع الکترولیتی که در آن فرآیند شکافت آب انجام می شود، واکنش شکافت آب به شرح زیر است:
برای انجام موثر و کارآمد الکترولیز آب استفاده از کاتالیست های قوی برای هر دو واکنش بالا در کاتد و آند ضروری است. اگرچه مواد بر پایه پلاتین بهترین کاتالیست برای واکنش HER و مواد بر پایه اریدیوم و روتینیوم کاتالیست های صنعتی واکنش OER هستند، اما کاربرد گسترده آنها به دلیل منابع محدود وهزینه بالا به طور قابل ملاحظه ای محدود کرده است.
درسال های گذشته مواد بر پایه فلزات واسطه همچون آهن، کبالت، نیکل، منگنز و … به دلیل فراوانی بیشتر، هزینه پایین و فعالیت کاتالیستی مطلوب برای الکترولیز آب مطرح شده اند.
طبق واکنش هایی که در بالا آورده شده است واکنش OER در هر دو الکترولیت اسیدی و بازی یک فرآیند 4 الکترونی است و یک مرحله تشکیل پیوند اکسیژن-اکسیژن دارد که از نظر سنیتیکی کند است، بنابراین نیاز به الکتروکاتالیست مناسب برای واکنش OER بیشتر اهمیت پیدا می کند. در سال های اخیر توجهات زیادی برای معرفی و مطالعه کاتالیست های مناسب واکنش OER جلب شده است و برای همین مواد بر پایه اکسیدها و هیدروکسیدها، MOF، سولفید ها، فسفیدها و … معرفی شده اند.
البته هنوز هم مطالعات زیادی برای معرفی کاتالیست های مناسب برای واکنش HER در حال انجام است چون موادی همچون پلاتین، پالادیوم و روتنیوم قیمت بسیار بالایی دارند.
مواد بر پایه کاربیدهای فلزی همچون مکسین ها مخصوصا Ti3C2 و گرافن در حال حاضر مورد توجه پژوهشگران برای الکتروکاتالیست در الکترولیز آب هستند.
در الکترودهای OER و HER معمولا از فوم مس و نیکل فوم، فویل روی، پارچه کربنی، فوم روی در محیط غیر اسیدی و از پارچه کربنی، توری استیل، فویل استیل و ورق گرافیت به عنوان بستر و جمع کننده جریان استفاده می شود.
علاوه بر این معمولا الکترودها از ترکیب ماده الکتروکاتالیست، کربن بلک و بایندر PTFE و PVDF ساخته می شود.
