两个水分子。

酸性溶液中，氢气来源于 H+,不存在此问题；

碱性和中性溶液中，一般认为 hydrogen evolution reaction 的机理如下：^[1]

第一步是水分子的吸附，也就是 Volmer reaction：

M+H2O+e−→M−Hads+OH−

其中 M 是催化剂金属，M-Hads 表示在催化剂表面吸附的 H 原子。

注意，这里水分子中的两个氢原子一个被催化剂吸附，另外一个则以游离的氢氧根离子的形态存在。

第二步根据不同的动力学活性，有两种不同的过程：

1. 电化学脱附机理，也就是 Heyrovsky reaction：

M−Hads+M+H2O+e−→2M+H2+OH−

在此过程中，吸附的 H 原子和水里面的 H 原子结合形成了氢气。

2. 化学脱附机理，也就是 Tafel reaction：

M−Hads+M−Hads→2M+H2

在此过程中，两个吸附的 H 结合形成了氢气。

不同的反应机理可以通过塔菲尔斜率来检验。

可以看到，根据机理的不同，H2 的另外一个 H 原子要么来源于另一个水分子，要么来源于另一个被吸附的氢原子。无论如何，都不会来自 OH-，也就断绝了氢气分子中的两个氢来源于同一个水分子的可能。

注：有兴趣的可以去看看电解水的另外一个半反应，氧析出反应的历程，加深理解。