На первый взгляд может показаться, что процесс разложения воды контролировать непросто. На электроде из одной молекулы воды, хочешь – не хочешь, будет получаться кислород и H⁺ (если дело было на аноде) и водород и OH⁻ (если на катоде).
Эти H⁺ и OH⁻ ведь могут рано или поздно образовать водород и кислород (плюс новую молекулу воды) для баланса? Или этого можно избежать?
На практике очень даже можно. Мы имеем дело с двумя, в общем-то, отдельными процессами: анодной полуреакцией (кислородная эволюция, OER) и катодной полуреакцией (водородная эволюция, HER).
Этими процессами можно управлять, выбирая, например, на что будут расходоваться электроны или какие промежуточные продукты будут образовываться.
Например, электроды можно менять независимо. На аноде ставим катализатор, ускоряющий только OER (например, иридий или никель-железо), а на катоде — только HER (платина или молибден-сульфид). Так мы можем задать лимитирующую стадию: кто медленнее — тот и определяет скорость всего процесса.
Ещё можно подавить одну из полуреакций средой. В щелочной среде (например, с KOH или NaOH) концентрация ионов OH⁻ будет сразу высокой. На аноде они легко отдают электроны, что способствует активному протеканию OER. В то же время на катоде кинетика реакции HER может замедлиться.
И наоборот, в кислой среде (например, с H₂SO₄), где много H⁺, реакция HER на катоде идёт быстро, так как протоны непосредственно принимают электроны. А вот OER на аноде может замедлиться по кинетическим причинам.
В нейтральных или солевых растворах обе полуреакции в принципе возможны, однако часто OER начинает доминировать при высоком напряжении, в то время как HER можно подавить добавками ингибиторов (хроматов).
В реальных лабораторных и промышленных условиях часто целенаправленно жертвуют одной из полуреакций.
Яркий пример — хлорщелочной процесс, где на аноде получают хлор, а на катоде — водород и щёлочь. В этом случае OER подавляется за счёт того, что электроны расходуются на другую реакцию.
Люди в белых халатах крутят-вертят реакциями как хотят.