Электролиз

Техника в химии и производстве

Иллюстрация электролизного аппарата Хофмана, используемого в школьной лаборатории.

В химии и производстве электролиз — это метод, в котором используется постоянный электрический ток (DC) для запуска неспонтанной химической реакции . Электролиз имеет коммерческое значение как этап отделения элементов из природных источников, таких как руды, с использованием электролитической ячейки . Напряжение , необходимое для возникновения электролиза, называется потенциалом разложения. Слово «лиз» означает разделение или разрушение, поэтому электролиз будет означать «расщепление с помощью электричества».

Этимология

Слово «электролиз» было введено Майклом Фарадеем в 1834 году ^[1] с использованием греческих слов ἤλεκτρον [ɛ̌ːlektron] «янтарь», который с 17 века ассоциировался с электрическими явлениями , и λύσις [lýsis] , означающего «растворение». Тем не менее, электролиз как инструмент для изучения химических реакций и получения чистых элементов предшествует появлению термина и формального описания Фарадеем.

История

В начале девятнадцатого века Уильям Николсон и Энтони Карлайл стремились продолжить эксперименты Вольты . Они прикрепили два провода к обеим сторонам гальванической батареи , а другие концы поместили в трубку, наполненную водой. Они заметили, что когда провода были соединены вместе, на каждой проволоке образовались пузыри. Один тип был водородом, другой — кислородом. ^[2]

В 1785 году голландский ученый Мартин ван Марум создал электростатический генератор, который он использовал для восстановления олова, цинка и сурьмы из их солей с помощью процесса, позже известного как электролиз. Хотя он, сам того не зная, произвел электролиз, только в 1800 году Уильям Николсон и Энтони Карлайл открыли, как работает электролиз. ^[3]

В 1791 году Луиджи Гальвани экспериментировал с лягушачьими лапками. Он утверждал, что размещение мышц животных между двумя разнородными металлическими листами приводит к образованию электричества. Отвечая на эти утверждения, Алессандро Вольта провел собственные испытания. ^{[4] [5]} Это могло бы дать представление об идеях Хамфри Дэви об электролизе. В ходе предварительных экспериментов Хамфри Дэви выдвинул гипотезу, что когда два элемента объединяются в соединение, выделяется электрическая энергия. Хамфри Дэви продолжил создавать таблицы разложения на основе своих предварительных экспериментов по электролизу. Таблицы разложения дадут представление об энергии, необходимой для расщепления определенных соединений. ^[6]

В 1817 году Йохан Август Арфведсон определил, что в некоторых из его образцов есть еще один элемент, литий; однако он не смог изолировать компонент. Лишь в 1821 году Уильям Томас Бранде использовал электролиз, чтобы выделить его. Два года спустя он оптимизировал процесс, используя хлорид лития и хлорид калия с помощью электролиза для получения лития и гидроксида лития. ^{[7] [8]}

В последние годы исследований Хамфри Дэви его ассистентом стал Майкл Фарадей. Изучая процесс электролиза под руководством Хамфри Дэви, Майкл Фарадей открыл два закона электролиза . ^[5]

Во времена Максвелла и Фарадея возникали ^{[ смутные ]} опасения по поводу электроположительной и электроотрицательной активности. ^[9]

В ноябре 1875 года Поль Эмиль Лекок де Буабодран открыл галлий с помощью электролиза гидроксида галлия, в результате чего было получено 3,4 мг галлия. В декабре следующего года он представил свое открытие галлия Академии наук в Париже. ^[10]

26 июня 1886 года Фердинанд Фредерик Анри Муассан наконец почувствовал себя комфортно, проведя электролиз безводного фтористого водорода, чтобы создать газообразный чистый фтор. Прежде чем использовать фтористый водород, Анри Муассан использовал фторидные соли при электролизе. Таким образом, 28 июня 1886 года он провел свой эксперимент перед Академией наук, чтобы продемонстрировать свое открытие нового элемента фтора. ^[11] При попытке найти элементарный фтор путем электролиза фторидных солей погибли многие химики, в том числе Полен Луйе и Жером Никлес. ^[12]

В 1886 году Шарль Мартин Холл из Америки и Поль Эру из Франции подали заявки на американские патенты на электролиз алюминия: Эру подал свою заявку в мае, а Холл - в июле. ^[13] Холл смог получить свой патент, доказав в письмах своему брату и семье доказательства того, что его метод был открыт до того, как был подан французский патент. ^[14] Это стало известно как процесс Холла-Эру , который принес пользу многим отраслям промышленности, поскольку цена на алюминий затем упала с четырех долларов до тридцати центов за фунт. ^[15]

График

• 1785 — электростатический генератор Мартинуса ван Марума был использован для восстановления олова , цинка и сурьмы из их солей с помощью электролиза. ^[16]
• 1800 — Уильям Николсон и Энтони Карлайл (а также Иоганн Риттер ) разложили воду на водород и кислород .
• 1808 г. - Калий (1807 г.), натрий (1807 г.), барий , кальций и магний были открыты Хамфри Дэви с помощью электролиза.
• 1821 — Литий открыт английским химиком Уильямом Томасом Бранде , получившим его электролизом оксида лития.
• 1834 – Майкл Фарадей опубликовал два своих закона электролиза , дал им математическое объяснение и ввёл такие термины, как электрод, электролит, анод, катод, анион и катион.
• 1875 – Поль Эмиль Лекок де Буабодран открыл галлий с помощью электролиза. ^[17]
• 1886 г. - Анри Муассан открыл фтор с помощью электролиза.
• 1886 г. – разработан процесс Холла-Эру для производства алюминия .
• 1890 г. – разработан процесс Кастнера-Келлнера получения гидроксида натрия .

Обзор

Электролиз — это прохождение постоянного электрического тока через электролит , вызывающее химические реакции на электродах и разложение материалов.

Основными компонентами, необходимыми для электролиза, являются электролит , электроды и внешний источник питания. Перегородка (например, ионообменная мембрана или солевой мостик ) не является обязательной, чтобы препятствовать диффузии продуктов в окрестности противоположного электрода.

Электролит — это химическое вещество , которое содержит свободные ионы и проводит электрический ток (например, ионопроводящий полимер , раствор или ионное жидкое соединение). Если ионы неподвижны, как в большинстве твердых солей , то электролиз произойти не может. Жидкий электролит получают:

• Сольватация или реакция ионного соединения с растворителем (например, водой) с образованием подвижных ионов.
• Ионное соединение, плавящееся при нагревании.

Электроды погружены в воду на таком расстоянии, что между ними протекает ток через электролит, и подключаются к источнику питания, замыкающему электрическую цепь . Постоянный ток , подаваемый источником питания, запускает реакцию, вызывая притяжение ионов электролита к соответствующему противоположно заряженному электроду.

Широко используются электроды из металла , графита и полупроводниковых материалов. Выбор подходящего электрода зависит от химической активности между электродом и электролитом и стоимости производства. Исторически сложилось так, что когда для электролиза требовались нереактивные аноды, выбирались графит (во времена Фарадея его называли свинцом) или платина. ^[18] Было обнаружено, что они являются одними из наименее реактивных материалов для анодов. Платина эродирует очень медленно по сравнению с другими материалами, а графит крошится и может выделять углекислый газ в водных растворах, но в остальном не участвует в реакции. Катоды могут быть изготовлены из того же материала или из более реакционноспособного, поскольку износ анода увеличивается из-за окисления на аноде.

Процесс электролиза

Ключевым процессом электролиза является обмен атомами и ионами путем удаления или добавления электронов под действием приложенного тока. Желаемые продукты электролиза часто находятся в физическом состоянии, отличном от электролита, и могут быть удалены механическими процессами (например, путем сбора газа над электродом или осаждения продукта из электролита).

Количество продуктов пропорционально току, и когда два или более электролизеров подключены последовательно к одному и тому же источнику питания, продукты, производимые в ячейках, пропорциональны их эквивалентному весу . Они известны как законы электролиза Фарадея .

Каждый электрод притягивает ионы противоположного заряда . Положительно заряженные ионы ( катионы ) движутся к доставляющему электроны (отрицательному) катоду. Отрицательно заряженные ионы ( анионы ) движутся к электроноэкстракционному (положительному) аноду. В этом процессе электроны эффективно вводятся на катод в качестве реагента и удаляются на аноде в качестве продукта . В химии потеря электронов называется окислением , а приобретение электронов — восстановлением .

Когда нейтральные атомы или молекулы, например, на поверхности электрода, приобретают или теряют электроны, они становятся ионами и могут растворяться в электролите и вступать в реакцию с другими ионами.

Когда ионы приобретают или теряют электроны и становятся нейтральными, они образуют соединения, которые отделяются от электролита. Положительные ионы металлов, таких как Cu ^2+, осаждаются на катоде в виде слоя. Термины для этого - гальваника , электродобыча и электрорафинирование .

Когда ион приобретает или теряет электроны, не становясь нейтральным, его электронный заряд при этом изменяется.

Например, при электролизе рассола образуются газообразные водород и хлор, которые пузырьками выходят из электролита и собираются. Таким образом, первоначальная общая реакция: ^[19]

2 NaCl + 2 H ₂ O → 2 NaOH + H ₂ + Cl ₂

Реакция на аноде приводит к образованию газообразного хлора из ионов хлора:

2 Cl ⁻ → Cl ₂ + 2 е ⁻

Реакция на катоде приводит к образованию газообразного водорода и ионов гидроксида:

2 ЧАС ₂ О + 2 е ⁻ → ЧАС ₂ + 2 ОН ⁻

Без перегородки между электродами ионы OH ^- , образующиеся на катоде, могут свободно диффундировать по электролиту к аноду. Поскольку электролит становится более основным из-за образования OH ^- , из раствора выходит меньше Cl ₂ , поскольку он начинает реагировать с гидроксидом, образуя гипохлорит (ClO ^- ) на аноде:

Cl ₂ + 2 NaOH → NaCl + NaClO + H ₂ O

Чем больше возможностей у Cl ₂ взаимодействовать с NaOH в растворе, тем меньше Cl ₂ выходит на поверхность раствора и тем быстрее прогрессирует образование гипохлорита. Это зависит от таких факторов, как температура раствора, время, в течение которого молекула Cl ₂ находится в контакте с раствором, и концентрация NaOH.

Аналогично по мере увеличения концентрации гипохлоритов из них образуются хлораты:

3 NaClO → NaClO ₃ + 2 NaCl

Происходят и другие реакции, такие как самоионизация воды и разложение гипохлорита на катоде, скорость последней зависит от таких факторов, как диффузия и площадь поверхности катода, контактирующая с электролитом. ^[20]

Потенциал разложения

Потенциал разложения или напряжение разложения относится к минимальному напряжению (разнице электродных потенциалов ) между анодом и катодом электролизера, которое необходимо для проведения электролиза. ^[21]

Напряжение, при котором электролиз термодинамически предпочтителен, представляет собой разность электродных потенциалов, рассчитанную по уравнению Нернста . Приложение дополнительного напряжения, называемого перенапряжением , может увеличить скорость реакции и часто требуется выше термодинамического значения. Это особенно необходимо для реакций электролиза с участием газов, таких как кислород , водород или хлор .

Окисление и восстановление на электродах

На аноде происходит окисление ионов или нейтральных молекул . Например, на аноде можно окислить ионы железа до ионов железа:

Фе²⁺
(водный) → Fe³⁺
(вод) + е ^-

Восстановление ионов или нейтральных молекул происходит на катоде . Восстановить ионы феррицианида до ионов ферроцианида на катоде можно :

Fe(CN)^3-
₆+ е ⁻ → Fe(CN)^4-
₆

Нейтральные молекулы также могут реагировать на любом из электродов. Например: п -бензохинон можно восстановить на катоде до гидрохинона:

+ 2 е ⁻ + 2 Ч ⁺ →

В последнем примере в реакции принимают участие и ионы Н ⁺ (ионы водорода), которые обеспечиваются кислотой в растворе или самим растворителем (вода, метанол и др.). Реакции электролиза с участием ионов H ⁺ достаточно распространены в кислых растворах. В водных щелочных растворах обычными являются реакции с участием OH ^{- (гидроксид-ионов).}

Иногда сами растворители (обычно вода) окисляются или восстанавливаются на электродах. Возможен даже электролиз с участием газов, например, с использованием газодиффузионного электрода .

Изменения энергии во время электролиза

Количество электрической энергии, которое необходимо добавить, равно изменению свободной энергии Гиббса реакции плюс потери в системе. Потери могут (теоретически) быть сколь угодно близкими к нулю, поэтому максимальная термодинамическая эффективность равна изменению энтальпии , разделенному на изменение свободной энергии реакции. В большинстве случаев потребляемая мощность превышает изменение энтальпии реакции, поэтому некоторая энергия выделяется в виде тепла. В некоторых случаях, например, при электролизе пара на водород и кислород при высокой температуре, происходит обратное и происходит поглощение тепловой энергии. Это тепло поглощается из окружающей среды, и теплотворная способность производимого водорода выше, чем потребляемая мощность.

Вариации

Пульсирующий ток приводит к образованию продуктов, отличных от постоянного тока. Например, пульсация увеличивает соотношение озона и кислорода, образующихся на аноде при электролизе водного кислого раствора, такого как разбавленная серная кислота. ^[22] При электролизе этанола импульсным током вместо кислоты образуется альдегид. ^[23]

Связанные процессы

Гальванические элементы и батареи используют спонтанные окислительно-восстановительные реакции с высвобождением энергии для генерации электрического потенциала, обеспечивающего полезную энергию. Когда аккумуляторная батарея заряжается, ее окислительно-восстановительная реакция протекает в обратном порядке, и систему можно рассматривать как электролитический элемент .

Промышленное использование

Процесс Холла – Эру для производства алюминия

• Электрометаллургия алюминия , лития , натрия , калия , магния , кальция и в некоторых случаях меди .
• Производство хлора и гидроксида натрия , называемое хлорщелочным процессом .
• Производство хлората натрия и хлората калия .
• Производство перфторированных органических соединений, таких как трифторуксусная кислота, методом электрофторирования .
• Очистка меди от рафинированной меди .
• Производство топлива, такого как водород , для космических кораблей , атомных подводных лодок и транспортных средств .
• Удаление ржавчины и очистка старых монет и других металлических предметов.

Производственные процессы

В производстве электролиз может использоваться для:

• Гальваника , при которой тонкая пленка металла наносится на материал подложки. Гальваника используется во многих отраслях промышленности как в функциональных, так и в декоративных целях, например, при изготовлении кузовов автомобилей и никелевых монет.
• Электрохимическая обработка (ЭХО), при которой электролитический катод используется в качестве фасонного инструмента для удаления материала путем анодного окисления с заготовки. ECM часто используется как метод удаления заусенцев или гравировки металлических поверхностей, таких как инструменты или ножи, с постоянным знаком или логотипом.

Конкурирующие полуреакции при электролизе раствора

Электролиз водных растворов некоторых солей с использованием ячейки, содержащей инертные платиновые электроды, приводит к восстановлению катионов (например, осаждение металлов с помощью, например, солей цинка) и окислению анионов (например, выделение брома с бромидами). . Однако у солей некоторых металлов (например, натрия) на катоде выделяется водород, а у солей, содержащих некоторые анионы (например, сульфат SO²⁻
₄) на аноде выделяется кислород. В обоих случаях это происходит из-за восстановления воды с образованием водорода или окисления с образованием кислорода. В принципе, напряжение, необходимое для электролиза раствора соли, можно определить из стандартного электродного потенциала для реакций на аноде и катоде. Стандартный потенциал электрода напрямую связан со свободной энергией Гиббса Δ G для реакций на каждом электроде и относится к электроду, на котором не протекает ток. Ниже представлена ​​выдержка из таблицы стандартных электродных потенциалов .

С точки зрения электролиза эту таблицу следует интерпретировать следующим образом:

• При движении вниз по таблице Е ° становится более положительной, а виды слева с большей вероятностью восстанавливаются : например, ионы цинка с большей вероятностью будут восстановлены до металлического цинка, чем ионы натрия - до металлического натрия .
• При перемещении вверх по таблице Е ° становится более отрицательной, а виды справа с большей вероятностью окисляются : например, металлический натрий с большей вероятностью окислится до ионов натрия, чем металлический цинк окислится до ионов цинка.

Используя уравнение Нернста, можно рассчитать электродный потенциал для определенной концентрации ионов, температуры и количества участвующих электронов. Для чистой воды ( pH  7):

• электродный потенциал восстановления с получением водорода составляет -0,41 В,
• электродный потенциал окисления с образованием кислорода составляет +0,82 В.

Сопоставимые цифры, рассчитанные аналогичным образом, для 1 М бромида цинка ZnBr ₂ составляют -0,76 В для восстановления до металлического Zn и +1,10 В для окисления с образованием брома. Вывод из этих рисунков состоит в том, что водород должен образовываться на катоде, а кислород на аноде в результате электролиза воды, что противоречит экспериментальному наблюдению, согласно которому осаждается металлический цинк и образуется бром. ^[26] Объяснение состоит в том, что эти рассчитанные потенциалы указывают только на термодинамически предпочтительную реакцию. На практике необходимо учитывать множество других факторов, таких как кинетика некоторых стадий реакции. В совокупности эти факторы означают, что для восстановления и окисления воды требуется более высокий потенциал, чем предполагалось, и эти факторы называются перенапряжениями . Экспериментально известно, что перенапряжения зависят от конструкции ячейки и природы электродов.

При электролизе нейтрального (pH 7) раствора хлорида натрия восстановление ионов натрия термодинамически очень сложно, и вода восстанавливается с выделением водорода, оставляя ионы гидроксида в растворе. На аноде наблюдается окисление хлора, а не воды, так как перенапряжение окисления хлорида в хлор меньше, чем перенапряжение окисления воды в кислород . Ионы гидроксида и растворенный газообразный хлор вступают в дальнейшую реакцию с образованием хлорноватистой кислоты . Водные растворы, образующиеся в результате этого процесса, называются электролизованной водой и используются в качестве дезинфицирующего и чистящего средства.

Тенденции исследований

Электролиз углекислого газа

Электрохимическое восстановление или электрокаталитическая конверсия CO 2 может производить химические вещества с добавленной стоимостью, такие как метан , этилен , этанол и т. д. ^{[27] [28] [29]} Электролиз углекислого газа дает формиат или окись углерода, но иногда и более сложные органические соединения. например этилен . ^[30] Эта технология исследуется как углеродно-нейтральный путь к органическим соединениям. ^{[31] [32]}

Электролиз подкисленной воды

При электролизе воды образуются водород и кислород в соотношении 2 к 1 соответственно.

2 H ₂ O (ж) → 2 H ₂ (г) + O ₂ (г) E ° = +1,229 В 

Энергетическая эффективность электролиза воды варьируется в широких пределах. Эффективность электролизера является мерой энтальпии, содержащейся в водороде (сгорания с кислородом или какой-либо другой более поздней реакции), по сравнению с потребляемой электрической энергией. Значения теплоты/энтальпии водорода широко публикуются в научных и технических текстах и ​​составляют 144 МДж/кг. Обратите внимание, что топливные элементы (не электролизеры) не могут использовать это полное количество тепла/энтальпии, что привело к некоторой путанице при расчете значений эффективности для обоих типов технологий. В ходе реакции часть энергии теряется в виде тепла. В некоторых отчетах указывается эффективность щелочных электролизеров от 50% до 70%; однако гораздо более высокая практическая эффективность достигается при использовании мембранного электролиза с полимерным электролитом и каталитической технологии, например, эффективность 95%. ^{[33] [34]}

В 2006 году Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии подсчитала, что 1 кг водорода (примерно эквивалентный 3 кг или 4 литрам нефти в энергетическом выражении) можно производить с помощью ветроэлектролиза по цене от 5,55 долларов США в ближайшем будущем до 2,27 долларов США в ближайшем будущем. длительный срок. ^[35]

Около 4% газообразного водорода, производимого во всем мире, вырабатывается путем электролиза и обычно используется на месте. Водород используется для производства аммиака для удобрений посредством процесса Габера и преобразования тяжелых нефтяных источников в более легкие фракции посредством гидрокрекинга . Недавно электролиз на месте стал использоваться для улавливания водорода для водородных топливных элементов в водородных транспортных средствах .

Электролиз воды с участием углерода/углеводородов

В последнее время для снижения энергозатрат в качестве жизнеспособного варианта предложено использование углерода ( уголь ), спиртов (раствор углеводородов) и органических растворов ( глицерин , муравьиная кислота, этиленгликоль и т. д.) с соэлектролизом воды. . ^{[36] [37]} Процесс электролиза воды с углеродом/углеводородом (так называемый CAWE) для генерации водорода будет выполнять эту операцию в одном электрохимическом реакторе. Для этого энергетического баланса системы может потребоваться только около 40% потребляемой электроэнергии, причем 60% приходится на химическую энергию углерода или углеводородов. ^[38] В этом процессе в качестве топлива используются твердые частицы угля/углерода или порошок, диспергированные в кислотном/щелочном электролите в виде суспензии, а содержащий углерод источник содействует процессу электролиза по следующим теоретическим общим реакциям: [ ^39]

Углеродно-угольная суспензия (C + 2H ₂ O) → CO ₂ + 2H ₂ E ′ = 0,21 В (обратимое напряжение) / E ′ = 0,46 В (термонейтральное напряжение) 

или

Углеродно-угольная суспензия (C + H ₂ O) → CO + H ₂ E ′ = 0,52 В (обратимое напряжение) / E ′ = 0,91 В (термонейтральное напряжение) 

Таким образом, этот подход CAWE заключается в том, что фактическое перенапряжение ячейки может быть значительно снижено до уровня ниже 1,0 В по сравнению с 1,5 В для обычного электролиза воды.

Электрокристаллизация

Специализированное применение электролиза включает рост проводящих кристаллов на одном из электродов из окисленных или восстановленных частиц, которые образуются на месте. Этот метод был использован для получения монокристаллов низкоразмерных электрических проводников, таких как соли переноса заряда и соединения с линейной цепью . ^{[40] [41]}

Электролиз железной руды

Современный метод производства стали из железной руды очень углеродоемок, отчасти из-за прямого выброса CO ₂ в доменной печи. Исследование производства стали в Германии показало, что при производстве 1 тонны стали выделяется 2,1 тонны CO ₂ e , причем 22% из них составляют прямые выбросы из доменной печи. ^[42] По состоянию на 2022 год на долю производства стали приходится 7–9% мировых выбросов. ^[43] Электролиз железа может устранить прямые выбросы и еще больше сократить выбросы, если электричество будет производиться из экологически чистой энергии.

О мелкомасштабном электролизе железа успешно сообщалось путем растворения его в расплавленных оксидных солях и использования платинового анода. ^[44] Анионы кислорода образуют газообразный кислород и электроны на аноде. Катионы железа поглощают электроны и образуют металлическое железо на катоде. Этот метод осуществлялся при температуре 1550 °C, что представляет собой серьезную проблему для поддержания реакции. В частности, при таких температурах вызывает беспокойство анодная коррозия .

Кроме того, сообщалось о низкотемпературном восстановлении оксида железа путем его растворения в щелочной воде. ^[45] Температура намного ниже, чем при традиционном производстве железа, и составляет 114 ° C. Низкие температуры также имеют тенденцию коррелировать с более высоким КПД по току, при этом сообщается, что КПД составляет 95%. Хотя эти методы являются многообещающими, они с трудом могут быть конкурентоспособными по стоимости из-за значительной экономии за счет масштаба, удерживающей цены на доменный чугун на низком уровне.

Электролиз морской воды

В исследовании 2020 года изучались прямой электролиз морской воды, щелочной электролиз, электролиз на протонообменной мембране и электролиз твердых оксидов . ^[46] Прямой электролиз морской воды следует известным процессам, образуя электролизную ячейку, в которой морская вода действует как электролит , обеспечивая реакцию на аноде и реакцию на катоде . Включение ионов магния и кальция в морскую воду делает возможным образование гидроксидов щелочных металлов , которые могут образовывать накипь в электролизере, сокращая срок службы и увеличивая необходимость технического обслуживания. Щелочные электролизеры работают со следующими реакциями на аноде и катоде и используют высокоосновные растворы в качестве электролитов, работают при температуре 60–90 ° C (140–194 ° F) и требуют дополнительных сепараторов для обеспечения газообразной фазы водорода и кислорода. оставаться отдельными. Электролит легко загрязняется, но щелочной электролизер может работать под давлением, что позволяет снизить энергопотребление. Электроды могут быть изготовлены из недорогих материалов и в конструкции не требуется дорогостоящий катализатор. Электролизеры с протонообменной мембраной работают с реакциями на аноде и катоде при температуре 60–80 ° C (140–176 ° F), используя твердый полимерный электролит и требуя более высоких затрат на обработку, чтобы твердый электролит мог равномерно прикасаться к электродам. Подобно щелочному электролизеру, электролизер с протонообменной мембраной может работать при более высоких давлениях, что снижает затраты энергии, необходимые для последующего сжатия газообразного водорода, но электролизер с протонообменной мембраной также выигрывает от быстрого времени реакции на изменения требований к мощности или требований, а не от требуют технического обслуживания за счет более высокой скорости разложения и большей уязвимости к примесям в воде. Твердооксидные электролизеры проводят реакции на аноде и катоде. Твердооксидные электролизеры требуют высоких температур (700–1000 ° C (1 292–1 832 ° F)) для работы, генерируя перегретый пар. При отключении они деградируют, что делает технологию производства водорода более негибкой. В избранной серии многокритериального анализа решений ${\displaystyle {\ce {2 Cl- (aq)->{Cl2(g)}+ 2e-}}}$ ${\displaystyle {\ce {2 {H2O(l)}+2e- -> {H2}(g) + 2{OH- }(aq)}}}$ ${\displaystyle {\ce {{2OH^{-}}(aq)->{1/2{O_{2}}(g)}+{{H2O}(l)}+2{e^{-}}}}}$ ${\displaystyle {\ce {{2{H2O}(l)}+2{e^{-}}->{{H2}(g)}+2{OH^{-}}(aq)}}}$ ${\displaystyle {\ce {{H2O}(l)->{1/2{O_{2}}(g)}+{2{H+}(aq)}+{2e^{-}}}}}$ ${\displaystyle {\ce {{2{H+}(aq)}+2{e^{-}}->{H_{2}}(g)}}}$ ${\displaystyle {\ce {{{O^{2}^{-}}(g)}->{1/2{O2}(g)}+2{e^{-}}}}}$ ${\displaystyle {\ce {{{H2O}(g)}+2{e^{-}}->{{H_{2}}(g)}+{O^{2}^{-}}(g)}}}$Сравнения, в которых наивысший приоритет был отдан экономическим эксплуатационным затратам, за которыми в равной степени следовали экологические и социальные критерии, было обнаружено, что электролизер с протонообменной мембраной предлагает наиболее подходящую комбинацию значений (например, инвестиционные затраты, затраты на техническое обслуживание и эксплуатацию, устойчивость к примесей, удельная энергия производства водорода в море, риск воздействия на окружающую среду и т. д.), за которым следует щелочной электролизер, причем щелочной электролизер является наиболее экономически целесообразным, но более опасным с точки зрения безопасности и экологии из-за необходимости растворы основных электролитов в отличие от твердых полимеров, используемых в протонообменных мембранах. Благодаря методам, применяемым при анализе решений по множеству критериев, к различным факторам применяются необъективные веса, поэтому одновременно выполнялось несколько методов анализа решений, чтобы изучить электролизеры таким образом, чтобы свести к минимуму влияние систематической ошибки на выводы о производительности. .

Смотрите также

• Электролиз щелочной воды
• Процесс Кастнера – Келлнера
• Водородная электростанция комбинированного цикла
• Электролитическая ячейка
• Электрохимическая инженерия
• Закон электролиза Фарадея
• постоянная Фарадея
• Эффективность Фарадея
• Гальваническая коррозия
• Гальванолюминесценция
• Газовый крекер
• Процесс Холла – Эру
• Электролиз высокого давления
• Перенапряжение
• Силовая ячейка Паттерсона
• Термохимический цикл
• Хронология водородных технологий
• ПЭМ-электролиз

Рекомендации

1. Оспер, Ральф; Спетер, Макс (1937). «Переписка Фарадея-Уэвелла относительно электрохимических терминов». Научный ежемесячник . 45 (6): 535–546. Бибкод : 1937SciMo..45..535O.
2. Фаббри, Эмилиана; Шмидт, Томас Дж. (5 октября 2018 г.). «Реакция выделения кислорода — загадка электролиза воды». АКС-катализ . 8 (10): 9765–9774. дои : 10.1021/acscatal.8b02712 .
3. Эшворт, Уильям (20 марта 2015 г.). «Мартинус ван Марум - учёный дня». Библиотека Линды Холл .
4. Иде, Аарон Дж. (1964). Развитие современной химии . Харпер и Роу. стр. 125–127.
5. «История электрохимии: от Вольты до Эдисона». ЭКС . Проверено 11 октября 2019 г.
6. Торп, Томас (1896). Хамфри Дэви, поэт и философ. Нью-Йорк: Macmillan & Co., Limited.
7. "Литий - periodstats.com" . www. periodicstats.com . Архивировано из оригинала 15 апреля 2021 года.
8. Хельменстин, Тодд (11 января 2018 г.). «Сегодня в истории науки - 12 января - Йохан Август Арфведсон и литий». Научные заметки и проекты .
9. Эде, Эндрю (2017). История науки в обществе (3-е изд.). Торонто, Канада: Университет Торонто Press. п. 251. ИСБН 978-1-4426-3499-2.
10. Маршалл, Джеймс и Вирджиния. «Повторное открытие элементов - галлий» (PDF) . Университет Северного Техаса. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 года.
11. Висняк, Хайме (26 августа 2018 г.). «Анри Муассан: первооткрыватель фтора». Образование Кимика . 13 (4): 267. doi :10.22201/fq.18708404e.2002.4.66285. ISSN  1870-8404. S2CID  92299077.
12. Маршалл, Джеймс и Вирджиния. «Повторное открытие элементов: фтор и Анри Муассан» (PDF) . Университет Северного Техаса. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 года.
13. Бек, Теодор Р. (21 августа 2015 г.). «Классика ECS: Холл и Эру и открытие электролиза алюминия». ЭКС . Интерфейс.
14. Производство и коммерциализация алюминия в Холле - национальная историческая химическая достопримечательность. Оберлин, Огайо: Американское химическое общество. 1997.
15. «Поль Эру и Чарльз М. Холл». Институт истории науки . 1 июня 2016 г.
16. Приложение (издание 1803 г.) к Британской энциклопедии, 3-е издание (1797 г.), том 1, стр. 225, «Мистер Ван Марум с помощью своей великой электрической машины разложил известки олова, цинка и сурьмы и превратил их в их соответствующие металлы и кислород» и приводит в качестве ссылки Journal de Physiques, 1785.
17. Лекок де Буабодран PE (1875). «О некоторых свойствах галлия». Химические новости и журнал промышленной науки . 32 : 294.
18. Фарадей, Майкл (1849). Экспериментальные исследования в электричестве. Том. 1. Лондон: Лондонский университет.
19. Тилли, RJD (2004). Понимание твердых тел: наука о материалах. Джон Уайли и сыновья. стр. 281–. Бибкод : 2004usts.book.....T. ISBN 978-0-470-85276-7. Проверено 22 октября 2011 г.
20. Томпсон, М. де Кей (1911). Прикладная электрохимия. Компания Макмиллан. стр. 84-88.
21. Блюм, В.; Виналь, Г.В. (1934). «Определение потенциала поляризации, перенапряжения и разложения». Труды Электрохимического общества . 66 : 359. дои : 10.1149/1.3498105.
22. Креман, Р. (1903). «Über den Einfluss der Natur des Elektrolyten und des Elektrodenmaterials auf die Ozonbildung». Zeitschrift für anorganische Chemie . Мецгер и Виттиг. 36 : 403–. дои : 10.1002/zaac.19030360152 . Проверено 12 сентября 2019 г.
23. Хейл, Артур Дж. (1919). Производство химикатов электролизом. Д. Ван Ностранд Ко, стр. 16, 73 . Проверено 12 сентября 2019 г.
24. Аткинс, Питер (1997). Физическая химия (6-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Company.
25. Ванисек, Петр (2007). «Электрохимическая серия». Справочник по химии и физике (88-е изд.). Химическая резиновая компания. Архивировано из оригинала (PDF) 24 июля 2017 года.
26. Холл, Норрис Ф. (1952). «Учебник количественного неорганического анализа (Фогель, Артур И.)». Журнал химического образования . 29 (6): 319. Бибкод : 1952JChEd..29..319H. дои : 10.1021/ed029p319.1 .
27. Ли, Сынхва; Джу, Хёнкук; Мачунда, Ревокатус; Хм, Сонхён; Ли, Джэ Кван; Ли, Хе Джин; Ли, Джеён (2015). «Устойчивое производство муравьиной кислоты путем электролитического восстановления газообразного диоксида углерода». Дж. Матер. хим. А. _ 3 (6): 3029. дои : 10.1039/C4TA03893B. S2CID  98110035.
28. Уиппл, Девин Т.; Кенис, Пол Дж.А. (2010). «Перспективы утилизации CO ₂ путем прямого гетерогенного электрохимического восстановления». Журнал физической химии . 1 (24): 3451. doi : 10.1021/jz1012627. S2CID  101946630.
29. Мачунда, Revocatus L.; Джу, Хёнкук; Ли, Джэён (2011). «Электрокаталитическое восстановление газа CO ₂ на газодиффузионном электроде на основе олова». Современная прикладная физика . 11 (4): 986. Бибкод : 2011CAP....11..986M. doi :10.1016/j.cap.2011.01.003.
30. Хори, Ю (2008). «Электрохимическое восстановление CO ₂ на металлических электродах». В CG Vayeanas, R. White и ME Gamboa-Aldeco (ред.). Современные аспекты электрохимии . Том. 42 (42 изд.). Нью-Йорк: Спрингер. стр. 141–153. дои : 10.1007/978-0-387-49489-0_3. ISBN 978-0-387-49488-3..
31. Аппель, Аарон М.; Беркоу, Джон Э.; Бокарсли, Эндрю Б.; Доббек, Хольгер; Дюбуа, Дэниел Л.; Дюпюи, Мишель; Ферри, Джеймс Г.; Фудзита, Эцуко; Хилле, Расс; Кенис, Пол Дж.А.; Керфельд, Шерил А.; Моррис, Роберт Х.; Педен, Чарльз Х.Ф.; Портис, Арчи Р.; Рэгсдейл, Стивен В.; Раухфус, Томас Б.; Рик, Йост, Нью-Хэмпшир; Зеефельдт, Лэнс К.; Тауэр, Рудольф К.; Уолдроп, Гровер Л. (2013). «Границы, возможности и проблемы биохимического и химического катализа фиксации CO2». Химические обзоры . 113 (8): 6621–6658. дои : 10.1021/cr300463y. ПМЦ 3895110 . ПМИД  23767781. 
32. Цяо, Джинли; Лю, Юю; Хун, Фэн; Чжан, Цзюцзюнь (2014). «Обзор катализаторов электровосстановления углекислого газа для производства низкоуглеродного топлива». хим. Соц. Преподобный . 43 (2): 631–675. дои : 10.1039/C3CS60323G. ПМИД  24186433.
33. Кармо, М; Фриц Д; Мергель Дж; Столтен Д. (2013). «Всесторонний обзор электролиза воды PEM». Журнал водородной энергетики . 38 (12): 4901. doi :10.1016/j.ijhydene.2013.01.151.
34. Циттель, Вернер; Вурстер, Рейнхольд (8 июля 1996 г.). «Глава 3: Производство водорода. Часть 4: Производство электроэнергии посредством электролиза». HyWeb: Знания – водород в энергетике . Людвиг-Бёльков-Системтехник ГмбХ. Архивировано из оригинала 7 февраля 2007 года.
35. Левен, Дж.; Кропоски, Б.; Свердруп, Г. (март 2006 г.). «Ветроэнергетика и производство водорода и электроэнергии – возможности для возобновляемого водорода – препринт» (PDF) . Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 года . Проверено 20 октября 2008 г.
36. Джу, Хёнкук; Бадвал, Сухвиндер; Гидди, Сарбджит (2018). «Всесторонний обзор электролиза воды с участием углерода и углеводородов для производства водорода». Прикладная энергетика . 231 : 502–533. Бибкод : 2018ApEn..231..502J. doi :10.1016/j.apenergy.2018.09.125. S2CID  117669840.
37. Джу, Хёнкук; Гиддей, Сарбджит; Бадвал, Сухвиндер П.С.; Малдер, Роджер Дж. (2016). «Электрокаталитическая конверсия этанола в твердоэлектролитных ячейках для распределенной генерации водорода». Электрохимика Акта . 212 : 744–757. doi :10.1016/j.electacta.2016.07.062.
38. Гидди, С.; Кулкарни, А.; Бадвал, СПС (2015). «Получение водорода с низким уровнем выбросов посредством электролиза с использованием углерода». Международный журнал водородной энергетики . 40 : 70–74. doi :10.1016/j.ijhydene.2014.11.033.
39. Джу, Хёнкук; Гиддей, Сарбджит; Бадвал, Сухвиндер П.С. (2018). «Роль соединений железа как посредника в соэлектролизе углерода и воды на основе PEM для экономичного производства водорода». Международный журнал водородной энергетики . 43 (19): 9144–9152. doi :10.1016/j.ijhydene.2018.03.195.
40. Бехгаард, К.; Карнейро, К.; Расмуссен, ФБ; Олсен, М.; Риндорф, Г.; Якобсен, CS; Педерсен, Х.Дж.; Скотт, Джей Си (1981). «Сверхпроводимость в органических твердых веществах. Синтез, строение и проводимость перхлората бис(тетраметилтетраселенафульваления) (ТМТСФ) ₂ ClO ₄ ». Журнал Американского химического общества . 103 (9): 2440. doi :10.1021/ja00399a065.
41. Уильямс, Джек М. (2007). «Высокопроводящие и сверхпроводящие синтетические металлы». Неорганические синтезы . Том. 26. С. 386–394. дои : 10.1002/9780470132579.ch70. ISBN 978-0-470-13257-9.
42. Бакес, Яна Герта; Суер, Джулиан; Пауликс, Нильс; Нойгебауэр, Сабрина; Траверсо, Марсия (19 марта 2021 г.). «Оценка жизненного цикла сталелитейного завода с использованием первичных производственных данных: фактический экологический профиль». Устойчивость . 13 (6): 3443. doi : 10.3390/su13063443 . ISSN  2071-1050.
43. Лопес, Даниэла В.; Куина, Маргарида Дж.; Фраде, Хорхе Р.; Ковалевский, Андрей В. (2022). «Перспективы и проблемы электрохимического восстановления оксидов железа в щелочных средах при производстве стали». Границы в материалах . 9 . Бибкод : 2022FrMat...910156L. дои : 10.3389/fmats.2022.1010156 . ISSN  2296-8016.
44. Винке, Ян; Лавелейн, Эрве; Пантеикс, Пьер-Жан; Петижан, Карин; Рапен, Кристоф (1 января 2018 г.). «Электролиз железа в расплавленном оксидном электролите». Журнал прикладной электрохимии . 48 (1): 115–126. дои : 10.1007/s10800-017-1143-5 . ISSN  1572-8838. S2CID  102871146.
45. Юань, Боян; Хаарберг, Гейр Мартин (20 марта 2009 г.). «Электроосаждение железа в водно-щелочном растворе: альтернатива карботермическому восстановлению». ECS-транзакции . 16 (36): 31. Бибкод : 2009ECSTr..16J..31Y. дои : 10.1149/1.3114006. ISSN  1938-5862. S2CID  96771590.
46. д'Амор-Доменек, Рафаэль; Сантьяго, Оскар; Лео, Тереза ​​Дж. (2020). «Многокритериальный анализ технологий электролиза морской воды для производства зеленого водорода на море». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 133 : 110166. doi : 10.1016/j.rser.2020.110166. S2CID  224843343.