堿性水電解制氫催化劑研究進展

廖龍飛，李明雨，尹永利，王 飛，曾 豐

(1.哈爾濱工業大學(深圳)材料科學與工程學院，廣東 深圳 518055；2.深圳市綠航星際太空科技研究院，廣東 深圳 518117；3.中國航天員科研訓練中心，人因工程國防科技重點實驗室，北京 100094；4.南京工業大學化工學院，材料化學工程國家重點實驗室，江蘇 南京 211816)

在全球能源結構向清潔化和低碳化轉型的背景下，氫能作為來源廣泛、靈活高效、零排放二次能源，被視為本世紀最具發展潛力的清潔能源，是未來能源技術革命和產業發展的重要方向[1-3]。發展氫能產業是我國實現“雙碳”目標，加快綠色低碳發展，全面提高資源利用效率的重要舉措。此外，基于國家能源安全戰略和環境保護的要求，發展新型能源和可再生能源也迫在眉睫。

氫氣作為最理想的能源載體和二次能源之一，與其他能源相比，具有導熱性能好，熱值高(能量密度142 MJ·kg-1，為汽油的3倍)，能量利用率高，運輸方便和無毒等優點。同時，氫氣的使用過程只產生水，不排放任何有害物質和二氧化碳，采用氫氣替代化石燃料可有效減弱溫室效應。此外，氫氣不僅可作為燃料直接燃燒，還可通過燃料電池將化學能轉化為電能提供動力。因此，氫能在未來的能源格局構成中將扮演重要角色[4-5]。依據氫氣的來源可將其分為灰氫(化石燃料制氫)、藍氫(碳捕捉與碳封存制氫)以及綠氫(可再生能源水電解制氫)。由化石燃料產生的灰氫，約占全球氫氣產量的95%，灰氫的制備相對廉價，操作方法簡便，所需設備少，占用空間小，但環境污染較大。藍氫盡管環境污染較小，但其資本支出和運營成本高昂。綠氫由于污染小是最理想的生產模式，綠氫主要采用電解水制備，不足全球產氫量的4%。

盡管水電解制備的綠氫具有純度高的優點，但其成本遠高于藍氫和灰氫。大規模電解水制氫主要以堿性水電解制氫為主，電能費用和電解槽的能耗是決定該過程效率的關鍵。因此，本文主要圍繞堿性水電解制氫的特點，堿性電解槽結構、材料和存在的問題，以及堿性水電解制氫新技術的發展等方面進行論述。

1 水電解的基本原理

水電解制氫現象發現于18世紀80年代，隨著法拉第定律的提出，水電解裝置在19世紀30年代不斷發展，水電解技術的工業化應用始于20世紀20年代，堿性水電解制氫主要應用于合成氨和煉油等領域。近年來，隨著環境污染、能源短缺和氣候暖化問題的關注以及對新能源的需求，電解水制氫技術也得到了顯著發展。根據電解池工作環境以及所用隔膜類型，水電解通?？煞譃橥耆虡I化的堿性水電解(Alkaline Water Electrolysis，AWE)、部分商業化的質子交換膜水電解(Proton Exchange Memb-rane，PEM)、以及處于實驗室研發階段的陰離子交換膜水電解(Anion Exchange Membrane，AEM)和固體氧化物水電解(Solid Oxide Electrolysis Cell，SOEC)[6]。

水電解是指在閉合回路中，在直流電的作用下，通過外部施加一定電壓，打破水分子中的氫氧鍵，在陰陽兩極分別生成氫氣和氧氣，實質是將電能轉化為化學能的過程。電解水過程由析氫(Hydrogen Evolution Reaction，HER)和析氧(Oxygen Evolution Reaction，OER)兩個半反應組成。水電解的基本反應如下：

陰極：2H2O + 2e-=H2↑ + 2OH-

陽極：4OH-=2H2O + O2↑ + 4e-

(1.1)

總反應：2H2O=2H2↑ + O2↑

根據吉布斯自由能表達式△G=-nEF計算電解水的理論電壓。其中，吉布斯自由能的變化(△G)為-237 000 J·mol-1；反應物的當量或電極反應中電子的數目(n)為2；法拉第常數(F)為96 500 C·mol-1，因此標況下(0 ℃，101.32 kPa)電解水的理論分解電壓為1.23 V，考慮到電解過程的電阻(如：陰陽極電阻、電解液電阻和傳輸電阻等)以及熱中和電壓(1.48 V)，工程上一般認為水電解的實際電壓為(1.7～2.0) V。

堿性水電解制氫技術于20世紀中期實現工業應用，技術較為成熟，運行壽命可達15年，一般以質量分數30%的KOH或25%的NaOH溶液為電解質，采用石棉布或離子交換膜等作為隔膜，在直流電的作用下，將水裂解成氫氣和氧氣，堿性水電解制氫示意圖如圖1所示，堿性水電解制氫特點見表1。

圖1 堿性水電解制氫示意圖Figure 1 Schematic diagram of hydrogen production by alkaline water electrolysis

表1 堿性水電解制氫特點Table 1 Characteristics of alkaline water electrolysis for hydrogen production

1.1 堿性水電解制氫的HER反應機理

析氫反應發生在電解池的陰極，由吸附、還原以及脫附三個過程構成，如圖2所示[10]。在堿性溶液體系中，首先發生吸附步驟(1.2)，即單個電子和氫原子吸附在電極表面活性位點，再通過單電子轉移形成M-H*鍵(*反應活性位點)。然后是還原步驟，吸附在電極表面的氫原子通過電化學脫附(1.3)或復合脫附(1.4)步驟還原生成氫氣，氫氣最后從電極表面解吸，即完成整個HER過程[11-13]。

圖2 堿性HER反應機理[10]Figure 2 Alkaline HER mechanism[10]

電化學吸附步驟(Volmer反應)：

M + H2O + e-?M-H*+ OH

(1.2)

電化學脫附步驟(Heyrovsky反應)：

M-H*+ H2O + e-?M+OH-+ H2

(1.3)

復合脫附步驟(Tafel反應)：

M-H*+ M-H*?2M + H2

(1.4)

1.2 堿性水電解制氫的OER反應機理

析氧反應屬于四電子氧化還原反應的逆過程。在堿性電解液中，OH-先在電極催化劑表面吸附，同時失去一個電子形成M-OH*，然后在OH-的參與下M-OH*失去一個電子分別氧化為M-O*和M-OOH*，M-OOH*最終與OH-結合形成氧氣并脫附。具體的OER反應機理如圖3所示[14-15]。

圖3 堿性OER反應機理Figure 3 Alkaline OER mechanism

M + OH-?M-OH*

(1.5)

M-OH*+ OH-?M-O*+ H2O

(1.6)

M-O*+ OH-?M-OOH*+ e-

(1.7)

M-OOH*+ OH-?M + O2+ H2O

(1.8)

2 堿性水電解制氫催化劑

影響堿性水電解制氫的因素包括隔離膜、電極、催化劑、系統電阻、操作條件和水質等，其中催化劑在堿性水電解中起著決定性因素，包括堿性OER催化劑、堿性HER催化劑及堿性雙功能催化劑。堿性OER催化劑包括過渡金屬氧化物(涉及相、晶面、缺陷及多金屬工程)、過渡金屬氫氧化物、過渡金屬硫屬化物(金屬硫化物、金屬硒化物及金屬碲化物)、過渡金屬磷化物和過渡金屬氮化物；堿性HER催化劑包括過渡金屬合金/異構(涉及納米結構、合金化、表面改性及異質結構工程)、過渡金屬硫屬化物、過渡金屬磷化物和過渡金屬氮化物；堿性雙功能催化劑包括過渡金屬氧化物、硫化物/硒化物及磷化物。HER和OER非貴金屬催化劑的開發有助于控制水電解的成本。在提高表觀電流密度和降低歐姆降的同時，如何提高催化劑性能進而提高反應效率是關鍵因素。

2.1 堿性析氫催化劑

盡管一些鉑族材料在堿性電解質中表現出優異的HER性能，但使用貴金屬會使堿性水電解失去成本優勢。目前為止，最好的非金屬HER催化劑的η10(10 mA·cm-2的電流密度所需的過電位)仍超過200 mV，極大地限制了其實際應用[16]。過渡金屬催化劑可以平衡HER的性能和成本，一些過渡金屬催化劑甚至具有與鉑族材料相當的HER活性，使其成為堿性電解質中最有前途的HER催化劑。

2.1.1 過渡金屬/合金及其異質結構

鎳基金屬由于低成本和良好的活性廣泛應用于商業堿性水電解器的陰極催化劑。納米結構工程、合金化工程、表面改性工程和異質結構工程技術等已被用于進一步提高其催化活性[17]。

納米結構工程。納米結構可以增加表面積，暴露出更多的活性位點，進而促進堿性HER反應。如，Ahn S H等[18]通過電沉積方法合成了一系列不同形態的鎳催化劑，納米結構工程不僅增加了表面積，還優化了金屬鎳的電子結構和化學環境從而調控其本征活性。

合金化工程。在Ni晶格中引入其他元素形成Ni基合金是調整Ni特性的重要手段。鎳基合金的代表是Raney Ni，但其HER活性較低，近年來其他的鎳基合金已被開發。Raj I A和Vasu K I[19]采用電沉積方法制備了七種塊狀鎳基合金，并系統地評價了其在堿性電解液中的HER活性，其HER活性按順序排列為：Ni-Mo>Ni-Zn>Ni-Co>Ni-W>Ni-Fe>Ni-Cr>鍍Ni鋼。其中，Ni-Mo合金作為活性和穩定性最好的催化劑，在6 M KOH溶液(80 ℃)中，過電位為180 mV時，電流密度可達到300 mA·cm-2，且可連續工作1 500 h[20-21]。

表面改性工程。金屬鎳的表面改性被認為是提高其本征活性的新策略，與合金化工程不同，表面改性不改變體相結構，但可以調控其化學和結構特性。Li Yibing等[22]通過N摻雜選擇性地修飾金屬Ni的表面，達到較高覆蓋程度(Ni-N0.59)，實驗結果和DFT計算表明，N摻雜對HER活性的提升可歸因于改善的親水性、扭曲的鎳晶格結構和粗糙的鎳表面等。N改性的表面導致較弱的H*吸附，提高HER活性。

異質結構工程。在其他組分中摻入過渡金屬形成異質結構界面，以提供調節多物質吸附/解吸的位點，進而可提高堿性HER性能。Gong Ming等[23]報告了一種碳納米管負載的鎳基三元異質結構催化劑(NiO/Ni-CNT)，NiO位點有利于水的解離和OH-陰離子的吸附，金屬Ni位點有助于吸附的氫原子重組生成氫氣分子，NiO/Ni-CNT的高活性可能歸功于異質結構中的納米級NiO/Ni界面。

除了鎳基催化劑，其他過渡金屬及其合金，如Co@carbon[24]、Co-N-C[25]、Mo-N-C[26]、CoSn2納米晶體[27]和CuTi合金[28]也被用作堿性電解質中的HER催化劑。盡管金屬和合金催化劑用于堿性HER已取得了很大的進展，但仍然需設計在堿性條件下具有更好的抗腐蝕性的材料，保證其穩定性。

2.1.2 過渡金屬硫屬化物

近年來，過渡金屬硫屬化物用于堿性電解水受到了廣泛關注。其中，MoS2是該類催化劑中最具潛力之一，MoS2的HER活性源自于其邊緣表面，該表面對H*吸附行為與鉑相似，而(0001)基面為惰性，幾乎沒有活性[29-30]。因此，許多MoS2納米結構，包括無定形MoS2[31]、結晶MoS2[32]、基于MoS2的混合材料[33]、層間間距擴大的MoS2結構[34]，已被開發以最大限度地暴露大量的邊緣點，進而將酸性電解質中的η10大大降低至約100 mV。然而，MoS2催化劑在堿性電解質中的HER性能相對比較差，仍然需要較高的過電位才可達到理想的電流密度[32]。

MoS2在堿性電解質中的HER活性相對較差，因此其他過渡金屬硫屬化物包括CoSe2[35]、NiSx[34]、NiSe[36]、FeS2[37]、FeSe2[38]等被探索用于堿性電解質中催化HER。引入二次金屬摻雜劑是提高單金屬硫屬化物HER活性的有效途徑。Yin Jie等[39]系統研究了各種金屬助劑(Co、Fe和Cu)對NiS2HER活性的影響，建立了催化劑原子結構與活性之間的關系，發現Co摻雜的NiS2具有最佳的HER活性和優異的長期穩定性。

2.1.3 過渡金屬磷化物

研究表明金屬磷化物，如CoP納米顆粒、Co2P納米棒、Ni2P納米顆粒、Ni5P4微顆粒、MoP八面體[40]、鎳摻雜CoP多面體[41]、銅摻雜CoPx多面體[42]、(Co0.52Fe0.48)2P多孔膜[43]等在堿性電解質中可高效催化HER反應。

盡管低成本的磷化物在堿性介質中的HER性能優異，但通過磷化過程制備催化劑存在諸多挑戰。過渡金屬磷化物的合成方法主要包括液相磷化法和氣相磷化法[44]。液相法通常采用有機磷源，價格高且易被空氣氧化，不利于規?；a。氣相法主要使用無機磷源在加熱下原位分解，釋放出活性PH3，并參與磷化。氣相法工藝簡單，不需要表面活性劑，而且能夠保留前驅體的初始形態，已被廣泛應用。

2.1.4 過渡金屬碳化物

過渡金屬碳化物具有類鉑電子結構、高導電性和高抗酸堿腐蝕能力，因此受到廣泛關注。盡管許多具有不同結構和形貌的金屬碳化物被開發出來，但其HER活性仍較低，原因可能是高溫退火過程造成表面活性位點暴露減少。增加表面活性位點數量或提高催化位點的本征活性可進一步提高金屬碳化物的HER活性[45]。此外，將金屬碳化物與其他活性材料，如金屬鎳和金屬鈷復合以形成異質結構，也可提高HER活性[46]。

在報道的HER催化劑中，NiMo合金[47]、Ni/NiO基異質結構[48]、Co或C摻雜MoS2[49]、N摻雜NiCo2S4[50]、Ni或Co基磷化物[51]、Mo2C[52]在堿性電解質中顯示出較高的HER活性，其η10達到50 mV以下。此外，一些催化劑(如FeP/Ni2P[53]、Ni-Mo-O[24]和MoNi4[47]等)甚至比Pt/C催化劑在堿性電解質中具有更好的HER活性。盡管催化劑設計和活性改進方面取得了巨大進步，仍需要在耐堿性、壽命和穩定性方面進一步深入研究。

2.2 堿性析氧催化劑

堿性水電解制氫OER催化劑主要包括貴金屬催化劑、過渡金屬催化劑和碳基催化劑。Ru和Ir的氧化物穩定性差，在高陽極電位下在堿性電解液中溶解[54]。碳基催化劑盡管易于制造且成本低，但其在OER過程中易被氧化成CO2，活性和穩定性均較差。而過渡金屬OER催化劑成本相對較低，活性和穩定性好，可以避免貴金屬和碳材料的缺點。以下總結過渡金屬堿性OER催化劑的最新研究進展，主要介紹氧化物、氫氧化物、硫屬化物、磷化物和氮化物等，旨在尋求高性能和低成本的堿性OER催化劑，并用于實際工業應用。

2.2.1 過渡金屬氧化物

鎳及其氧化物在堿性溶液中具有很高的OER活性。由于其在地殼中含量豐富且催化穩定性高，鎳基材料一直是工業堿性電解槽中陽極催化劑的主要成分。此外，其他過渡金屬氧化物作如Co、Mn和Fe氧化物也被廣泛研究。相工程、晶面工程、缺陷工程和多金屬工程等策略被用于提高這些過渡金屬氧化物的催化活性，如表2所示。

表2 修飾過渡金屬氧化物的策略Table 2 Strategies for modifying transition metal oxides

2.2.2 過渡金屬(氧)氫氧化物

氫氧化鎳是典型的OER氫氧化物催化劑，由α-Ni(OH)2和β-Ni(OH)2組成[60]，是活性最高的堿性OER催化劑之一。除了活性之外，長期穩定性在實際應用中至關重要。NiFe(氧)氫氧化物催化劑在大約10 mA·cm-2的電流密度下具有幾小時的穩定性[61-62]。除了鎳基(氧)氫氧化物，鈷基(氧)氫氧化物也引起了廣泛關注。

2.2.3 過渡金屬硫屬化物

由于過渡金屬硫屬化物具有較高的電導率，因此金屬硫屬化物與氫氧化物相比可能具有更高的OER活性。目前，金屬硫屬化物已經成為低成本且高催化活性的OER催化劑。在已開發的金屬硫屬化物OER催化劑中，鎳基和鈷基硫屬化物已被大量研究并表現出極好的OER活性和穩定性[63-64]。此外，其他Co基硫化物，如Co3S4納米片[65]，CoS4.6O0.6納米立方體[66]和金屬硫化物異質結構(如NiS2/CoS2納米線[67]，Ni3S2/MoS2納米顆粒[68]，CoS2/FeS2納米片[69]和Co9S8/MoS2納米纖維[70])也表現出優異的OER活性。

硫、硒和碲元素都具有六個最外層電子，電子構型相同，因此金屬硒化物、金屬碲化物與金屬硫化物可能具有相似的化學反應性。硒化鈷(CoSe2)[71]和硒化鎳(如NiSe[36]、Ni3Se2[72]和NiSe2[73])已被廣泛研究，但目前金屬碲化物作為OER催化劑仍較少，如表3所示。

表3 過渡金屬硫屬化物Table 3 Classification of transition metal sulfides

2.2.4 過渡金屬磷化物和氮化物

2003年,過渡金屬磷化物作為有前景的HER催化劑受到關注。Ryu J等[74]發現過渡金屬磷化物作為雙功能催化劑可有效地催化OER和HER反應。研究者發現，在OER催化過程中，NiOx物種在Ni2P表面原位生成，NiOx活性層具有超細的納米顆粒和高的表面積，與傳統方法合成的Ni、NiO和Ni(OH)2催化劑相比，具有更好的OER活性。

過渡金屬氮化物具有高導電性和化學穩定性，受到廣泛關注。在過渡金屬中引入N原子可以增加d電子密度，使其表現出一定的金屬特性，這些金屬特性使過渡金屬氮化物成為有前途的OER催化劑。Chen Pengzuo等[75]在導電碳布基底上制備了多孔Co4N納米線陣列作為活性OER催化劑。利用Co4N的高導電性和3D電極的高暴露活性面積的協同優勢，Co4N可以實現出色的OER活性，η10減小至257 mV，Tafel斜率降低至44 mV·dec-1，比Co3O4和Co(OH)F催化劑性能好得多。

通過回歸分析，分別構建遙感因子Rrsnir/Rrsred與懸浮泥沙濃度之間的各反演模型(對數、指數、線性及冪函數模型)，并解算出模型決定系數(R2)與懸浮泥沙濃度模型擬合值與實測值之間的平均相對誤差(MRE，Mean Relative Error)，用于評價模型反演精度，并最終選取指數模型作為椒江口水體懸浮泥沙濃度反演的模型(見表3)，模型公式為：

2.3 堿性OER/HER雙功能催化劑

雖然OER和HER催化劑研發已取得諸多進展，但是通常需要采用不同的設備和合成工藝來生產OER和HER催化劑，投資成本高。在堿性電解質中，可同時催化OER和HER的高效雙功能催化劑對于降低氫氣的生產成本至關重要。Luo Jing-shan等[76]在泡沫鎳(NF)基底上生長的NiFe層狀雙氫氧化物(Layered Double Hydroxide，LDH)可作為雙功能電催化劑用于水分解。此外，其他雙功能電催化劑，包括過渡金屬氧化物[77]，硫化物/硒化物[36,64]和磷化物[78]也有相關報道。

3 堿性水電解制氫研究新趨勢

盡管堿性水電解制氫具有操作簡單和成本低的優點，但低溫堿性水電解和大功率堿性水電解系統仍需進一步發展。以下將從電極、電解質、離子傳輸、氣泡形成和AEM電解水制氫等方面討論堿性水電解的研究新趨勢。

3.1 電極和催化劑

失活是電極材料的主要問題，即便最廣泛使用的電極材料—鎳，也常因為其表面高氫濃度形成氫化鎳而失活。鐵涂層可以阻止氫化鎳的形成，從而防止電極失活[79]。此外，研究發現在堿性析氫過程中，溶解的釩物種也可以防止鎳陰極失活[80]。除材料選擇外，電極的設計改進對水分解也很重要，電極表面通常包含狹縫和孔道，以促進氣泡的逸出，須有適當的孔尺寸，以防止氣體滯留，堿性水電解中氫端和氧端電極孔對應的直徑分別為0.1 mm和0.7 mm[81]，另外百葉窗、翅片或開溝槽式電極也可用于去除氣泡。

在某種程度上，電極本身就是催化劑，影響電化學反應的活化能。在電極設計中總是使用摻雜或涂層的方式得到更穩定的高活性電極。電催化劑通過降低反應的活化能而促進電荷轉移或化學反應的發生。電催化劑可降低兩個半反應中的一個或兩個的過電勢。電催化劑的作用受電極的電子結構影響，因此通常也采用在金屬中具有不同電子分布的合金來提高電極的活性。電極材料的物理性質也會影響電催化的活性，納米結構電極通過增加活性面積降低電解槽的工作電流密度。電極的制備方法也是影響電極表面性能(如粗糙度)的重要因素。總而言之，電極的物理修飾有助于從電極中去除氣體。電極材料顯著影響過電位、電子特性和表面特性，決定了涂層或摻雜的電催化性能，合金、納米結構材料、過渡金屬和貴金屬也可用于提高電極活性。

3.2 電解液和添加劑

大多數商業電解槽采用堿(氫氧化鉀或氫氧化鈉)溶液作為電解液。在離子活化劑的作用下，少量活化化合物顯著降低了電解水過程中的能量消耗。離子液體是有機化合物，在室溫下僅由陽離子和陰離子組成，因此具有高離子電導率和穩定性[82]，然而，離子液體通常具有高粘度和低水溶性，不利于傳質，導致電流密度低和產氫率低。需研發高電導率和溶解度的離子液體以分別促進電子轉移和水電解。

與電催化劑的研究相比，新型電解質的研發工作相對較少。但通過使用電解質添加劑，降低電解質電阻以增強離子轉移并提高整體效率是極具潛力的策略。此外，電解質添加劑可以調整電解質和電極之間的親和力，并有助于控制氣泡行為。

3.3 氣泡管理

氣泡的形成及其逸散是歐姆損失的主要原因。氣體的溶解以及電極與電解質之間的氣體界面均會增加電解水系統的電阻。表面活性劑可用于降低表面張力，并最大限度地減小氣泡尺寸或加速氣泡的逸散，從而達到與親水材料相同的效果。同時，這些添加劑不參與電化學反應且在此過程中保持穩定[83]。在流體力學方面，通過循環電解質溶液和增加流速以清除電極表面的氣泡，同樣有利于電解質的傳質與消除濃度差異。此外，采用多孔的電極，有利于增加催化劑的比表面積和離散氣泡。

3.4 陰離子交換膜(AEM)水電解

AEM電解水制氫具有以下優勢：1)AEM電解槽組件可使用非貴金屬催化劑(如鎳和銅)，大大降低了制造成本；2)可以使用簡單的電解質，如蒸餾水或低濃度的堿性溶液取代高腐蝕性的電解質，可以解決電解質的泄漏和體積穩定性，降低操作危險性；3)AEM電解槽可使用季銨鹽聚合物膜，比PEM電解水使用的Nafion膜價格更低；4)由于AEM膜中沒有金屬離子，二氧化碳和AEM膜之間的相互作用很低。因此，低成本的AEM電解槽可以被制造出來并為固定式、便攜式和運輸式發電系統的穩定產氫，增加耐用性和提高能源效率的發展做出貢獻[84]。

4 結語與展望

氫能已被視為最清潔和最有前途的能源，通過可再生能源電解水制氫是實現零碳排放氫經濟的重要前提。當前堿式電解水制氫工藝已較為成熟，系統結構簡單可靠、壽命長、穩定性好。相較于其他電解水技術，具有成本低、技術成熟、電催化劑價格低廉和工作溫度低等特點。但較強腐蝕性的堿性電解液導致催化劑只能選用鎳基合金等少數具有較強耐熱堿腐蝕的元素，雖然近年來有諸多關于復合催化劑的報道，但由于其制備工藝和成本等限制，無法在短時間內進行大規模工業應用。在隔離膜方面，傳統的石棉隔離膜已經逐漸被以高分子復合膜和離子交換膜為代表的新型復合材料替代，電解產氣純度也得到逐步提升。

影響堿性水電解制氫的因素包括隔離膜、催化劑、電極材料、系統電阻、操作條件和水質等。阻礙堿性水電解效率的因素有氣泡產生的電阻、反應活化能、離子轉移和電路中的電阻等，可以通過電極改性、增加添加劑、添加涂層和結構設計管理氣泡等方式減小電阻，降低能量的散失，從而提高水的電解效率。整體來說，堿性水電解制氫系統成本主要來自其核心部件電解槽和電極，盡管使用廉價電極材料有利于降低制氫成本，但堿性水電解制氫規模化最大的障礙在于高能耗和高電價。

利用可再生能源發電是電解水制氫大規模應用的必要條件。堿性水電解與可再生能源相結合，通過生產氫氣作為儲能介質將其整合到分布式能源系統。與其他主要的制氫方法相比，堿性水電解系統簡單但目前效率較低。廣泛使用電解水制氫還需要進一步克服耐用性和安全性等缺點。盡管在堿性水電解的發展中已經取得了很大的進展，但仍然存在一些困難和挑戰，在清潔、可再生和可持續的制氫方面還有很長的路要走。