تولید هیدروژن از آب دریا چیست؟ چرا اینقدر توجه؟ مشکلات فنی چیست؟

چرا موفقیت آزمایش آزمایشی تولید هیدروژن با الکترولیز مستقیم آب دریا توجه زیادی را به خود جلب کرده است؟ چقدر سخت است؟ برای تولید هیدروژن با الکترولیز آب دریا چه مشکلات فنی باید برطرف شود؟

01

تولید هیدروژن از آب دریا

تولید هیدروژن توسط الکترولیز آب به عنوان یک فناوری بسیار مهم آماده سازی هیدروژن سبز در نظر گرفته می شود. در حال حاضر، فناوری الکترولیز آب تجاری از آب شیرین به عنوان الکترولیت استفاده می کند. همانطور که همه ما می دانیم، منابع آب شیرین جهانی به شدت محدود است، با استفاده گسترده از برق آبی برای تولید هیدروژن، که بدون شک کمبود منابع آب شیرین را تشدید می کند. در مقابل، آب دریا از نظر منابع غنی است که باعث ایجاد ایده "تولید هیدروژن آب دریا" می شود.

برخلاف آب شیرین که 96.5 درصد از کل حجم آب زمین را تشکیل می دهد، آب دریا دارای ترکیب پیچیده ای است که شامل بیش از 90 ماده شیمیایی و عنصر است. تعداد زیادی از یون ها، میکروارگانیسم ها و ذرات موجود در آب دریا می تواند منجر به مشکلاتی مانند رقابت واکنش جانبی، غیرفعال شدن کاتالیزور و انسداد دیافراگم در طول تولید هیدروژن شود.

برای این منظور، فناوری تولید هیدروژن با استفاده از آب دریا به عنوان مواد خام، دو مسیر متفاوت را شکل داده است. اول، تولید مستقیم هیدروژن از آب دریا، یعنی بر اساس آب طبیعی دریا، عمدتاً با الکترولیز یا فوتولیز تولید می شود. دوم، تولید غیرمستقیم هیدروژن از آب دریا، نمک زدایی و حذف ناخالصی ها از آب دریا، نمک زدایی از آب دریا برای تشکیل آب شیرین با خلوص بالا و سپس تولید هیدروژن است.

02

دو مزیت عمده

پلت فرم های تولید هیدروژن دریایی را می توان به عنوان ذخیره طولانی مدت انرژی یا سایت های تولید برای مواد شیمیایی خوب مورد استفاده قرار داد و به انرژی سبز اجازه می دهد تا از نزدیک با سیستم های تولید مواد شیمیایی یکپارچه شود.

پلت فرم تولید هیدروژن دریایی می تواند مشکل مصرف برق تجدیدپذیر دریایی گسترده را حل کند و استفاده از برق تجدیدپذیر برای تولید هیدروژن و آمونیاک سبز در محل ممکن است به روش اصلی کاربرد انرژی تجدیدپذیر دریایی گسترده در جهان تبدیل شود. آینده.

03

دشواری فنی

مشکل فنی 1: بسیاری از ناخالصی های موجود در آب دریا بر وقوع تکامل هیدروژن کاتد تأثیر می گذارد.

در فرآیند آب الکترولیتی، H2 از کاتد رسوب می‌کند، برای واکنش تکامل هیدروژن کاتد، چالش‌برانگیزترین مشکل این است که کاتیون‌های محلول مختلفی در آب طبیعی دریا وجود دارد، مانند Na+، Mg2+، Ca2+ و غیره، علاوه بر این، انواع باکتری ها، میکروارگانیسم ها و ذرات ریز وجود دارد.

این ناخالصی ها الکترود را با پیشرفت الکترولیز آب دریا مسدود می کند و سپس پیر شدن الکترود/کاتالیزور در سیستم الکترولیتی را مسموم یا تسریع می کند و در نتیجه دوام ضعیفی دارد.

مشکل فنی 2: یون های کلرید باعث خوردگی آندی می شوند و بر واکنش تکامل اکسیژن آندی تأثیر می گذارند.

در فرآیند الکترولیز آب، O2 معمولاً از آند رسوب می کند. با این حال، وجود تعداد زیادی یون کلرید (Cl-) در آب دریا باعث خوردگی جدی ماده آند می شود که منجر به آسیب الکترود و ولتاژ بالا می شود و در نتیجه واکنش تکامل اکسیژن کارآمد پایان می یابد. علاوه بر این، غلظت بالای یون های کلرید نیز در واکنش اکسیداسیون کلر آند رخ می دهد و محل فعال کاتالیزور را اشغال می کند و در نتیجه کارایی واکنش تکامل اکسیژن آند را کاهش می دهد.

مشکل فنی 3: رقابت بین واکنش تکامل اکسیژن آندی و واکنش کلرزنی اکسیژن

در فرآیند الکترولیز آب دریا، آند تحت دو واکنش قرار می گیرد: واکنش تکامل اکسیژن (OER) و واکنش کلرزنی اکسیژن (ClOR). واکنش تکامل اکسیژن: 4OH-→O2+H2O+4e-; E0=1.23V (در مقابل RHE)

واکنش اکسیداسیون کلر: Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e-; E0=1.71V (در مقابل RHE)

مشاهده می شود که E0 این دو مشابه است، که یک رابطه رقابتی ایجاد می کند که ولتاژ کاری الکترولیز را تا حد زیادی محدود می کند. علاوه بر این، هر دو واکنش ClOR و تشکیل هیپوکلریت، واکنش‌های دو الکترونی هستند و واکنش ClOR از نظر جنبشی آسان‌تر از واکنش چهار الکترونی OER است، بنابراین مازاد پتانسیل OER معمولاً بالاتر از ClOR است.

04

وضعیت تحقیق

در حال حاضر، تولید هیدروژن از آب دریا هنوز در مراحل اولیه تحقیق و آزمایش است و هنوز با چالش های زیادی مواجه است، اما تحقیق و توسعه تولید هیدروژن از الکترولیز آب دریا پیشرفت هایی داشته است. در سال 2022، تیم آکادمیسین Xie Heping یک پیشرفت اصلی در زمینه تولید مستقیم هیدروژن از آب دریا ایجاد کرد و به طور ابتکاری یک اصل و فناوری جدید تولید مستقیم هیدروژن از آب دریا بدون نمک‌زدایی را که توسط انتقال فاز و مهاجرت هدایت می‌شد، ایجاد کرد. پروژه های نمایشی زیادی برای تولید هیدروژن آب دریا در داخل و خارج از کشور وجود دارد، اما آنها هنوز هم در مقیاس کوچک آزمایشی هستند و بیشتر آنها در دست ساخت یا پیشنهاد هستند.

اگرچه تولید هیدروژن توسط الکترولیز آب دریا از آزمایش‌های کوچک و آزمایشی تا کاربرد صنعتی نهایی راه طولانی در پیش دارد. با این حال، ما معتقدیم که در مسیر تریلیون تراز انرژی هیدروژن، اگر این فناوری در نهایت به کار گرفته شود، عمیق ترین جوهر را در جاده «کربن زدایی» باقی خواهد گذاشت!