stringtranslate.com

Электролиз щелочной воды

Электролиз щелочной воды — это тип электролиза , который характеризуется наличием двух электродов, работающих в жидком щелочном электролите. Обычно используется раствор гидроксида калия (KOH) или гидроксида натрия (NaOH) в концентрации 25-40% по весу. [6] Эти электроды разделены диафрагмой, которая разделяет газообразные продукты и транспортирует ионы гидроксида (OH − ) от одного электрода к другому. [4] [7] Недавнее сравнение показало, что современные электролизеры воды на основе никеля со щелочными электролитами обеспечивают конкурентоспособную или даже лучшую эффективность, чем электролиз воды с кислотным полимерным электролитом с электрокатализаторами на основе металлов платиновой группы. [8]

Технология имеет долгую историю в химической промышленности. Первый масштабный спрос на водород возник в конце 19 века для самолетов легче воздуха , и до появления парового риформинга в 1930-х годах эта технология была конкурентоспособной. [ необходима цитата ]

Технологии на основе водорода значительно развились с момента первоначального открытия водорода и его раннего применения в качестве плавучего газа примерно 250 лет назад. В 1804 году швейцарский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз получил патент на первый автомобиль, работающий на водороде. Этот прототип, оснащенный четырехколесной конструкцией, использовал двигатель внутреннего сгорания (ДВС), работающий на смеси водорода и кислорода. Водородное топливо хранилось в баллоне, а зажигание достигалось с помощью электрического стартера, известного как стартер Вольта. Процесс сгорания приводил в движение поршень внутри цилиндра, который при опускании активировал колесо через храповой механизм. Это изобретение можно рассматривать как раннее воплощение системы, включающей хранилище водорода, трубопроводы, клапаны и устройство преобразования. [9]

Примерно через четыре десятилетия после того, как военный ученый Риттер разработал первый электролизер, химики Шенбейн и сэр Гроув независимо друг от друга определили и продемонстрировали концепцию топливного элемента. Эта технология работает в обратном направлении по отношению к электролизу около 1839 года. Это открытие стало важной вехой в области водородной технологии, продемонстрировав потенциал водорода как источника чистой энергии. [9]

Структура и материалы

Схема щелочных электролизеров воды. Катализаторы добавляются к аноду и катоду для снижения перенапряжения. [10]

Электроды обычно разделены тонкой пористой фольгой, обычно называемой диафрагмой или сепаратором. Диафрагма не проводит электроны, что позволяет избежать электрических замыканий между электродами, при этом допуская небольшие расстояния между электродами. Ионная проводимость обеспечивается водным щелочным раствором, который проникает в поры диафрагмы. Асбестовые диафрагмы используются уже давно из-за их эффективного разделения газов, низкой стоимости и высокой химической стабильности; однако их использование ограничено Роттердамской конвенцией . [11] Современная диафрагма — это Zirfon, композитный материал из циркония и полисульфона . [12] Диафрагма также предотвращает смешивание производимого водорода и кислорода на катоде и аноде, [13] [14] соответственно. Толщина асбестовых диафрагм составляет от 2 до 5 мм, в то время как диафрагм Zirfon — от 0,2 до 0,5 мм. [11]

Обычно в качестве электродов для электролиза щелочной воды используются металлы на основе никеля. [15] Если рассматривать чистые металлы, то Ni является наименее активным неблагородным металлом. [16] Высокая цена хороших электрокатализаторов на основе благородных металлов, таких как металлы платиновой группы, и их растворение при выделении кислорода [17] является недостатком. Ni считается более стабильным при выделении кислорода, [18] но нержавеющая сталь показала хорошую стабильность и лучшую каталитическую активность, чем Ni, при высоких температурах во время реакции выделения кислорода (РВК) . [5]

Катализаторы Ni с высокой площадью поверхности могут быть получены путем делегирования сплавов никеля с цинком [5] или никеля с алюминием в щелочном растворе, обычно называемом никелем Ренея . В испытаниях ячеек наиболее эффективные электроды, о которых сообщалось до сих пор, состояли из плазменно-вакуумного напыления сплавов Ni на сетках Ni [19] [20] и сеток Ni с горячей оцинковкой. [21] Последний подход может быть интересен для крупномасштабного промышленного производства, поскольку он дешев и легко масштабируется, но, к сожалению, все стратегии демонстрируют некоторую деградацию. [22]

Электрохимия

Анодная реакция

В реакциях выделения кислорода в щелочной среде участвуют несколько видов адсорбентов (O, OH, OOH и OO – ) и несколько стадий. Стадии 4 и 5 часто происходят в один этап, но есть данные, которые предполагают, что стадии 4 и 5 происходят отдельно при pH 11 и выше. [23] [24]

Где * указывает на виды, адсорбированные на поверхности катализатора.

Катодная реакция

Реакция выделения водорода в щелочных условиях начинается с адсорбции и диссоциации воды на стадии Фольмера и либо десорбции водорода на стадии Тафеля, либо на стадии Гейровского.

Преимущества по сравнению с электролизом воды методом ПЭМ

По сравнению с электролизом с использованием протонообменной мембраны , преимущества электролиза щелочной воды заключаются в следующем: [25]

  1. Имеет более длительный опыт промышленного использования, проверенную надежность и более низкие первоначальные затраты, что делает его более продуманным вариантом для крупномасштабного производства водорода.
  2. Более высокая долговечность благодаря сменному электролиту и меньшему растворению анодного катализатора.
  3. В отличие от электролиза PEM, щелочной электролиз не требует дорогих или дефицитных драгоценных металлов, таких как платина или иридий, для электродов. Это снижает общую стоимость и зависимость от материалов.

Недостаток

Одним из недостатков электролизеров щелочной воды является низкая производительность, вызванная обычно используемыми толстыми диафрагмами, которые увеличивают омическое сопротивление, более низкая собственная проводимость OH− по сравнению с H+ и более высокий переход газа, наблюдаемый для высокопористых диафрагм. [26]

Ссылки

  1. ^ Дивисек, Дж.; Шмитц, Х. (1 января 1982 г.). «Биполярная ячейка для усовершенствованного электролиза щелочной воды». Международный журнал водородной энергетики . 7 (9): 703–710. doi :10.1016/0360-3199(82)90018-0.
  2. ^ Шива Кумар, С.; Лим, Ханквон (ноябрь 2022 г.). «Обзор технологий электролиза воды для производства зеленого водорода». Energy Reports . 8 : 13793–13813. Bibcode : 2022EnRep...813793S. doi : 10.1016/j.egyr.2022.10.127 . S2CID  253141292.
  3. ^ Дэвид, Мартин; Окампо-Мартинес, Карлос; Санчес-Пенья, Рикардо (июнь 2019 г.). «Достижения в области электролизеров щелочной воды: обзор». Журнал хранения энергии . 23 : 392–403. дои : 10.1016/j.est.2019.03.001. hdl : 2117/178519 . S2CID  140072936.
  4. ^ abcdefghijklmn Кармо, М; Фриц Д; Мергель Дж; Столтен Д (2013). «Комплексный обзор электролиза воды с помощью PEM». Журнал водородной энергетики . 38 (12): 4901. doi :10.1016/j.ijhydene.2013.01.151.
  5. ^ abcd Colli, AN; et al. (2019). "Недрагоценные электроды для практического электролиза щелочной воды". Materials . 12 (8): 1336. Bibcode : 2019Mate...12.1336C. ​​doi : 10.3390/ma12081336 . PMC 6515460. PMID  31022944 . 
  6. ^ Chatenet, Marian; Pollet, Bruno G.; Dekel, Dario R.; Dionigi, Fabio; Deseure, Jonathan; Millet, Pierre; Braatz, Richard D.; Bazant, Martin Z.; Eikerling, Michael; Staffell, Iain; Balcombe, Paul; Shao-Horn, Yang; Schäfer, Helmut (2022). «Электролиз воды: от знаний из учебников до новейших научных стратегий и промышленных разработок». Chemical Society Reviews . 51 (11): 4583–4762. doi :10.1039/d0cs01079k. PMC 9332215. PMID  35575644 . 
  7. ^ "Щелочной электролиз воды" (PDF) . Энергоносители и системы преобразования энергии . Получено 19 октября 2014 г.
  8. ^ Шаленбах, М.; Тьяркс Г.; Кармо М.; Люке В.; Мюллер М.; Столтен Д. (2016). «Кислотный или щелочной? К новому взгляду на эффективность электролиза воды». Журнал электрохимического общества . 163 (11): F3197. doi : 10.1149/2.0271611jes . S2CID  35846371.
  9. ^ ab Jordan, Thomas (2022), «Водородные технологии», Безопасность водорода для энергетических приложений , Elsevier, стр. 25–115, doi :10.1016/b978-0-12-820492-4.00005-1, ISBN 978-0-12-820492-4, получено 2024-04-27
  10. ^ Цзэн, Кай; Чжан, Дунке (июнь 2010 г.). «Последний прогресс в электролизе щелочной воды для производства и применения водорода». Progress in Energy and Combustion Science . 36 (3): 307–326. doi :10.1016/j.pecs.2009.11.002.
  11. ^ ab Smolinka, Tom (2021). Электрохимические источники питания: основы, системы и приложения: производство водорода электролизом воды . Elsevier. ISBN 978-0-12-819424-9.
  12. ^ "AGFA Zirfon Perl Product Specification". Архивировано из оригинала 2018-04-23 . Получено 29 января 2019 .
  13. ^ Шаленбах, М.; Люке В.; Столтен Д. (2016). «Водородная диффузия и электролитическая проницаемость сепаратора Zirfon PERL для электролиза щелочной воды» (PDF) . Журнал электрохимического общества . 163 (14): F1480–F1488. doi :10.1149/2.1251613jes. S2CID  55017229.
  14. ^ Хауг, П.; Кой М.; Турек Т. (2017). «Влияние условий процесса на чистоту газа при электролизе щелочной воды». Международный журнал водородной энергетики . 42 (15): 9406–9418. doi :10.1016/j.ijhydene.2016.12.111.
  15. ^ Чжоу, Даоцзинь; Ли, Пэнсун; и др. (2020). «Последние достижения в области электродов на основе недрагоценных металлов для электролиза щелочной воды». ChemNanoMat . 6 (3): 336–355. doi :10.1002/cnma.202000010. ISSN  2199-692X. S2CID  213442277.
  16. ^ Куайно, П.; Хуарес Ф.; Сантос Э.; Шмиклер В. (2014). «Вулканические диаграммы в электрокатализе водорода — использование и злоупотребления». Журнал нанотехнологий Beilstein . 42 : 846–854. doi : 10.3762/bjnano.5.96. PMC 4077405. PMID 24991521  . 
  17. ^ Шаленбах, М. и др. (2018). «Электрохимическое растворение благородных металлов в щелочных средах». Электрокатализ . 9 (2): 153–161. doi :10.1007/s12678-017-0438-y. S2CID  104106046.
  18. ^ Черевко, С; и др. (2016). «Реакции выделения кислорода и водорода на тонкопленочных электродах Ru, RuO2, Ir и IrO2 в кислых и щелочных электролитах: сравнительное исследование активности и стабильности». Catalysis Today . 262 : 170–180. doi :10.1016/j.cattod.2015.08.014.
  19. ^ Шиллер, Г.; Хенне Р.; Борок В. (1995). «Вакуумное плазменное напыление высокопроизводительных электродов для электролиза щелочной воды». Журнал термической распылительной технологии . 4 (2): 185. Bibcode : 1995JTST....4..185S. ​​doi : 10.1007/BF02646111. S2CID  137144045.
  20. ^ Шиллер, Г.; Хенне Р.; Мор П.; Пейнеке В. (1998). «Высокопроизводительные электроды для усовершенствованного прерывисто работающего 10-киловаттного электролизера щелочной воды». Международный журнал водородной энергетики . 23 (9): 761–765. doi :10.1016/S0360-3199(97)00122-5.
  21. ^ Шаленбах, М. и др. (2018). «Электролизер щелочной воды с никелевыми электродами обеспечивает эффективную работу при высокой плотности тока». Международный журнал водородной энергетики . 43 (27): 11932–11938. doi :10.1016/j.ijhydene.2018.04.219. S2CID  103477803.
  22. ^ Эсфандиари, Н; и др. (2024). «Катоды на основе металлов для производства водорода электролизом щелочной воды: обзор материалов, механизм деградации и испытания на долговечность». Прогресс в материаловедении . 143 : 101254. doi : 10.1016/j.pmatsci.2024.101254.
  23. ^ Скотт, Кит (2020). Электрохимические методы получения водорода . Кембридж: Королевское химическое общество. ISBN 978-1-78801-378-9.
  24. ^ Диас-Моралес, Оскар; Феррус-Суспедра, Дэвид; Копер, Марк ТМ (2016). «Значение депротонирования оксигидроксида никеля для его активности в отношении электрохимического окисления воды». Chemical Science . 7 (4): 2639–2645. doi : 10.1039/C5SC04486C . PMC 5477031 . PMID  28660036. 
  25. ^ Шива Кумар, С.; Химабинду, В. (2019-12-01). «Производство водорода электролизом воды PEM – обзор». Materials Science for Energy Technologies . 2 (3): 442–454. doi :10.1016/j.mset.2019.03.002. ISSN  2589-2991.
  26. ^ Мартинес-Родригес, Анхель; Абанадес, Альберто (ноябрь 2020 г.). «Сравнительный анализ энергетических и эксергетических характеристик методов производства водорода». Entropy . 22 (11): 1286. Bibcode :2020Entrp..22.1286M. doi : 10.3390/e22111286 . ISSN  1099-4300. PMC 7712718 . PMID  33287054.