Расщепление воды — это химическая реакция , в которой вода расщепляется на кислород и водород : [1]
Эффективное и экономичное разделение воды могло бы стать технологическим прорывом, который мог бы укрепить водородную экономику . Вариант расщепления воды происходит при фотосинтезе , но водород не образуется. Обратная реакция расщепления воды лежит в основе водородного топливного элемента . Расщепление воды с помощью солнечной радиации не получило коммерческого применения.
Электролиз воды – это разложение воды (H 2 O) на кислород (O 2 ) и водород (H 2 ): [2]
Производство водорода из воды энергоемко. Обычно потребляемая электроэнергия более ценна, чем производимый водород, поэтому этот метод не получил широкого распространения. В отличие от низкотемпературного электролиза, высокотемпературный электролиз (ВТЭ) воды преобразует большую часть исходной тепловой энергии в химическую энергию (водород), потенциально увеличивая эффективность примерно вдвое , примерно до 50%. [ нужна цитата ] Поскольку часть энергии в HTE поставляется в виде тепла, меньшая часть энергии должна быть преобразована дважды (из тепла в электричество, а затем в химическую форму), и поэтому процесс более эффективен. [ нужна цитата ]
Высокотемпературный электролиз (также HTE или паровой электролиз ) — метод получения водорода из воды с кислородом в качестве побочного продукта. brary.unt.edu/ark:/67531/metadc270782/}</ref>
Вариант расщепления воды происходит при фотосинтезе , но электроны перебрасываются не к протонам, а к цепи переноса электронов в фотосистеме II . Электроны используются для восстановления углекислого газа, который в конечном итоге включается в сахара.
Фотовозбуждение фотосистемы I инициирует перенос электронов к ряду акцепторов электронов, в конечном итоге восстанавливая НАДФ + до НАДФН. Окисленная фотосистема I захватывает электроны от фотосистемы II посредством ряда стадий с участием пластохинона , цитохромов и пластоцианина . Окисленная фотосистема II окисляет кислородвыделяющий комплекс (ОКВ), который превращает воду в О 2 и протоны. [3] [4] Поскольку активный центр OEC содержит марганец , многие исследования были направлены на синтетические соединения Mn в качестве катализаторов окисления воды. [5]
При биологическом производстве водорода электроны, образующиеся в фотосистеме, направляются не к аппарату химического синтеза, а к гидрогеназам , в результате чего образуется H 2 . Этот биоводород производится в биореакторе . [6]
Использование электроэнергии, производимой фотоэлектрическими системами, потенциально предлагает самый чистый способ производства водорода, помимо атомной, ветровой, геотермальной и гидроэлектрической энергии. Опять же, вода разлагается на водород и кислород посредством электролиза, но электрическая энергия получается в процессе фотоэлектрохимической ячейки (ФЭХ). Систему также называют искусственным фотосинтезом . [7] [8] [9] [10]
Катализ и мембраны протонного реле часто находятся в центре внимания при разработке. [11]
Преобразование солнечной энергии в водород посредством процесса расщепления воды может быть более эффективным, если этому будут способствовать фотокатализаторы, суспендированные в воде, а не фотоэлектрическая или электролитическая система, так что реакция происходит в один этап. [12] [13]
Энергичное ядерное излучение может разорвать химические связи молекулы воды. На золотом руднике Мпоненг в Южной Африке исследователи обнаружили в естественной зоне с высоким уровнем радиации сообщество, в котором доминирует новый филотип Desulfotomaculum , питающийся преимущественно радиоактивно произведенным H2 . [14]
При термолизе молекулы воды расщепляются на водород и кислород . Например, при 2200 °C (2470 K; 3990 °F) около трех процентов всей H 2 O диссоциируется на различные комбинации атомов водорода и кислорода, в основном на H, H 2 , O, O 2 и OH. Другие продукты реакции, такие как H 2 O 2 или HO 2 , остаются второстепенными. При очень высокой температуре 3000 °C (3270 К; 5430 °F) разлагается более половины молекул воды. При температуре окружающей среды только одна молекула из 100 триллионов диссоциирует под действием тепла. [15] Требования к высоким температурам и ограничения по материалам ограничили применение метода термического разложения.
Другие исследования включают термолиз дефектных углеродных подложек, что делает возможным производство водорода при температурах чуть ниже 1000 ° C (1270 K; 1830 ° F). [16]
Одним из побочных преимуществ ядерного реактора, который производит и электричество , и водород, является то, что он может переключать производство между ними. Например, атомная электростанция может производить электроэнергию днем и водород ночью, согласовывая профиль выработки электроэнергии с ежедневными изменениями спроса. Если водород можно будет производить экономично, эта схема будет выгодно конкурировать с существующими схемами хранения энергии в сети . По состоянию на 2005 год потребность в водороде в Соединенных Штатах была достаточной, чтобы такие электростанции могли обеспечить всю ежедневную пиковую выработку. [17]
Гибридный термоэлектрический медно-хлорный цикл представляет собой когенерационную систему, использующую отходящее тепло ядерных реакторов, в частности сверхкритического водяного реактора CANDU . [18]
Концентрация солнечной энергии позволяет достичь высоких температур, необходимых для расщепления воды. Hydrosol-2 — это пилотная установка мощностью 100 киловатт на Plataforma Solar de Almería в Испании, которая использует солнечный свет для получения необходимой температуры от 800 до 1200 °C (от 1070 до 1470 K; от 1470 до 2190 °F) для расщепления воды. Hydrosol II находится в эксплуатации с 2008 года. Конструкция пилотной установки мощностью 100 киловатт основана на модульной концепции. В результате возможно, что эту технологию можно будет легко масштабировать до мегаваттного диапазона за счет увеличения количества доступных реакторных блоков и подключения станции к гелиостатным полям (полям зеркал, отслеживающих солнце) подходящего размера. [19]
Материальные ограничения из-за требуемых высоких температур уменьшаются за счет конструкции мембранного реактора с одновременной экстракцией водорода и кислорода, в котором используется определенный температурный градиент и быстрая диффузия водорода. Благодаря концентрированному солнечному свету в качестве источника тепла и только воде в реакционной камере получаемые газы очень чистые, а единственным возможным примесем является вода. «Солнечный водный крекер» с концентратором площадью около 100 м 2 может производить почти один килограмм водорода за солнечный час. [20]
Цикл сера-йод (цикл S-I) представляет собой серию термохимических процессов, используемых для производства водорода . Цикл S–I состоит из трех химических реакций , конечным реагентом которых является вода, а конечными продуктами — водород и кислород . Все остальные химикаты перерабатываются. Процесс S – I требует эффективного источника тепла.
Описано более 352 термохимических циклов расщепления воды термолизом . [21] Эти циклы обещают производить водород и кислород из воды и тепла без использования электричества. [22] Поскольку вся входная энергия для таких процессов — это тепло, они могут быть более эффективными, чем высокотемпературный электролиз. Это связано с тем, что эффективность производства электроэнергии по своей сути ограничена. Термохимическое производство водорода с использованием химической энергии угля или природного газа обычно не рассматривается, поскольку прямой химический путь более эффективен.
Суммарной реакцией для всех термохимических процессов является реакция разложения воды: [22]