Kas yra vandenilio gamyba iš jūros vandens? Kodėl tiek dėmesio? Kokie yra techniniai sunkumai?

Kodėl bandomasis vandenilio gamybos bandymas tiesioginės jūros vandens elektrolizės būdu sulaukė tiek daug dėmesio? Kaip tai sunku? Kokius techninius sunkumus reikia įveikti norint pagaminti vandenilį jūros vandens elektrolizės būdu?

01

Vandenilio gamyba iš jūros vandens

Vandenilio gamyba vandens elektrolizės būdu yra laikoma labai svarbia žaliojo vandenilio paruošimo technologija. Šiuo metu komercinė vandens elektrolizės technologija naudoja gėlą vandenį kaip elektrolitą. Kaip visi žinome, pasauliniai gėlo vandens ištekliai yra labai riboti, vandeniliui gaminti plačiai naudojama hidroelektrinė, o tai neabejotinai didina gėlo vandens išteklių trūkumą. Priešingai, jūros vandenyje gausu išteklių, todėl kyla „vandenilio gamybos jūros vandenyje“ idėja.

Skirtingai nuo gėlo vandens, kuris sudaro 96,5 proc. viso Žemės vandens tūrio, jūros vanduo yra sudėtingos sudėties, apimantis daugiau nei 90 cheminių medžiagų ir elementų. Didelis jonų, mikroorganizmų ir dalelių kiekis jūros vandenyje gali sukelti problemų, tokių kaip šalutinių reakcijų konkurencija, katalizatoriaus inaktyvacija ir diafragmos užsikimšimas vandenilio gamybos metu.

Šiuo tikslu vandenilio gamybos technologija, naudojant jūros vandenį kaip žaliavą, sudarė du skirtingus kelius. Pirma, tiesioginė vandenilio gamyba iš jūros vandens, ty iš natūralaus jūros vandens, daugiausia gaminama elektrolizės arba fotolizės būdu. Antra, netiesioginė vandenilio gamyba iš jūros vandens yra gėlinimas ir priemaišų pašalinimas iš jūros vandens, jūros vandens gėlinimas, kad pirmiausia susidarytų labai grynas gėlas vanduo, o tada gaminamas vandenilis.

02

Du pagrindiniai privalumai

Vandenilio gamybos platformos jūroje gali būti naudojamos kaip ilgalaikis energijos saugojimas arba smulkių cheminių medžiagų gamybos vietos, leidžiančios žaliąją energiją glaudžiai integruoti su cheminių medžiagų gamybos sistemomis.

Vandenilio gamybos jūroje platforma gali išspręsti plataus užmojo jūrinės atsinaujinančios elektros energijos vartojimo problemą, o atsinaujinančios elektros energijos naudojimas vandenilio ir žaliojo amoniako gamybai vietoje gali tapti pagrindiniu toli siekiančios jūrinės atsinaujinančios energijos taikymo metodu. ateities.

03

Techninis sunkumas

1 techninis sunkumas: daugelis jūros vandens priemaišų turi įtakos katodo vandenilio išsiskyrimui

Elektrolitinio vandens procese iš katodo nusodinamas H2, katodo vandenilio išsiskyrimo reakcijai sudėtingiausia problema yra ta, kad natūraliame jūros vandenyje yra įvairių ištirpusių katijonų, tokių kaip Na+, Mg2+, Ca2+ ir kt., be to, yra įvairių bakterijų, mikroorganizmų ir smulkių dalelių.

Šios priemaišos užkimš elektrodą vykstant jūros vandens elektrolizei, o tada nuodys arba paspartins elektrodo / katalizatoriaus senėjimą elektrolizės sistemoje, todėl sumažės patvarumas.

2 techninis sunkumas: chlorido jonai sukelia anodinę koroziją ir veikia anodinio deguonies išsiskyrimo reakciją

Vandens elektrolizės procese iš anodo dažniausiai nusėda O2. Tačiau daug chlorido jonų (Cl-) jūros vandenyje sukels rimtą anodo medžiagos koroziją, o tai sukels elektrodų pažeidimus ir aukštą įtampą, o tai baigs efektyvią deguonies išsiskyrimo reakciją. Be to, anodo chloro oksidacijos reakcijoje taip pat atsiras didelė chlorido jonų koncentracija, užimdama aktyviąją katalizatoriaus vietą ir taip sumažindama anodo deguonies išsiskyrimo reakcijos efektyvumą.

3 techninis sunkumas: anodinės deguonies išsiskyrimo reakcijos ir deguonies chlorinimo reakcijos konkurencija

Jūros vandens elektrolizės procese anode vyks dvi reakcijos, būtent: deguonies išsiskyrimo reakcija (OER) ir deguonies chlorinimo reakcija (ClOR). Deguonies išsiskyrimo reakcija: 4OH-→O2+H2O+4e-; E0 = 1,23 V (palyginti su RHE)

Chloro oksidacijos reakcija: Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e-; E0 = 1,71 V (palyginti su RHE)

Galima pastebėti, kad šių dviejų E0 yra panašus, o tai sukurs konkurencinį ryšį, o tai labai riboja elektrolizatoriaus darbinę įtampą. Be to, ir ClOR reakcija, ir hipochlorito susidarymas yra dviejų elektronų reakcijos, o ClOR reakciją kinetiškai atlikti lengviau nei OER keturių elektronų reakciją, todėl paprastai pastebima, kad OER perteklius yra didesnis nei ClOR.

04

Tyrimo statusas

Šiuo metu vandenilio gamyba iš jūros vandens vis dar yra ankstyvoje tyrimų ir bandymų stadijoje ir vis dar susiduria su daugybe iššūkių, tačiau vandenilio gamybos iš jūros vandens elektrolizės tyrimai ir plėtra padarė tam tikrą pažangą. 2022 m. akademiko Xie Hepingo komanda padarė didelį originalų proveržį tiesioginės vandenilio gamybos iš jūros vandens srityje ir novatoriškai sukūrė naują tiesioginės vandenilio gamybos iš jūros vandens principą ir technologiją be gėlinimo, kurį lemia fazių perėjimas ir migracija. Namuose ir užsienyje yra daug demonstracinių jūros vandens vandenilio gamybos projektų, tačiau jie vis dar yra nedidelio masto bandomieji projektai ir dauguma jų yra statomi arba siūlomi.

Nors vandenilio gamyba jūros vandens elektrolizės būdu turi nueiti ilgą kelią nuo mažų ir bandomųjų bandymų iki galutinio pramoninio pritaikymo. Tačiau mes tikime, kad trilijono lygio vandenilio energijos srityje, jei ši technologija galiausiai bus pritaikyta, ji paliks giliausią rašalą „dekarbonizacijos“ kelyje!