Mis on vesiniku tootmine mereveest? Miks nii palju tähelepanu? Millised on tehnilised raskused?

Miks on merevee otsese elektrolüüsi teel vesiniku tootmise piloottesti edu äratanud nii palju tähelepanu? Kui raske see on? Millised on tehnilised raskused, mis tuleb merevee elektrolüüsil vesiniku tootmiseks ületada?

01

Vesiniku tootmine mereveest

Vesiniku tootmist vee elektrolüüsi teel peetakse väga oluliseks rohelise vesiniku valmistamise tehnoloogiaks. Praegu kasutab turustatud vee elektrolüüsi tehnoloogia elektrolüüdina värsket vett. Nagu me kõik teame, on maailma mageveevarud äärmiselt piiratud, kuna vesiniku tootmiseks kasutatakse laialdaselt hüdroelektrienergiat, mis kahtlemata süvendab mageveevarude nappust. Seevastu merevesi on ressursside poolest rikas, mistõttu tekib idee "merevee vesiniku tootmisest".

Erinevalt mageveest, mis moodustab 96,5 protsenti Maa vee kogumahust, on merevesi keeruka koostisega, mis hõlmab enam kui 90 kemikaali ja elementi. Suur hulk ioone, mikroorganisme ja osakesi merevees võib põhjustada selliseid probleeme nagu kõrvalreaktsioonide konkurents, katalüsaatori inaktiveerimine ja diafragma ummistus vesiniku tootmisel.

Selleks on merevett toorainena kasutav vesiniku tootmistehnoloogia moodustanud kaks erinevat teed. Esiteks toodetakse vesinikku otse mereveest ehk looduslikust mereveest peamiselt elektrolüüsi või fotolüüsi teel. Teiseks, merevee kaudne vesiniku tootmine on merevee magestamine ja lisandite eemaldamine, merevee magestamine, et moodustada esmalt kõrge puhtusastmega magevesi ja seejärel vesinik.

02

Kaks suurt eelist

Avamere vesiniku tootmisplatvorme saab kasutada pikaajalise energia salvestamise või peenkemikaalide tootmiskohtadena, võimaldades rohelist energiat tihedalt integreerida kemikaalide tootmissüsteemidega.

Avamere vesiniku tootmisplatvorm võib lahendada kaugeleulatuva mere taastuvenergia tarbimise probleemi ning taastuvelektri kasutamine vesiniku ja rohelise ammoniaagi tootmiseks kohapeal võib saada kaugeleulatuva mere taastuvenergia peamiseks rakendusmeetodiks. tulevik.

03

Tehniline raskus

Tehniline probleem 1: paljud merevees olevad lisandid mõjutavad katoodvesiniku eraldumist

Elektrolüütilise vee protsessis sadestub katoodilt H2, katoodi vesiniku eraldumise reaktsiooni jaoks on kõige keerulisem probleem see, et looduslikus merevees on erinevaid lahustunud katioone, nagu Na+, Mg2+, Ca2+ jne, lisaks seal on mitmesuguseid baktereid, mikroorganisme ja pisikesi osakesi.

Need lisandid ummistavad elektroodi merevee elektrolüüsi edenedes ja seejärel mürgitavad või kiirendavad elektroodi/katalüsaatori vananemist elektrolüütilises süsteemis, mille tulemuseks on halb vastupidavus.

Tehniline probleem 2: kloriidiioonid põhjustavad anoodkorrosiooni ja mõjutavad anoodse hapniku eraldumise reaktsiooni

Vee elektrolüüsi käigus sadestub tavaliselt anoodilt O2. Suure hulga kloriidiioonide (Cl-) olemasolu merevees põhjustab aga anoodimaterjali tõsise korrosiooni, mis toob kaasa elektroodide kahjustuse ja kõrge pinge, lõpetades seega tõhusa hapniku eraldumise reaktsiooni. Lisaks esineb klooriioonide kõrge kontsentratsioon ka anoodi kloori oksüdatsioonireaktsioonis, hõivates katalüsaatori aktiivse saidi, vähendades seeläbi anoodi hapnikueraldusreaktsiooni efektiivsust.

Tehniline probleem 3: konkurents anoodse hapniku eraldumise reaktsiooni ja hapniku kloorimise reaktsiooni vahel

Merevee elektrolüüsi protsessis läbib anood kaks reaktsiooni, nimelt: hapniku eraldumise reaktsioon (OER) ja hapniku kloorimisreaktsioon (ClOR). Hapniku eraldumise reaktsioon: 4OH-→O2+H2O+4e-; E0 = 1,23 V (vs. RHE)

Kloori oksüdatsioonireaktsioon: Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e-; E0 = 1,71 V (vs. RHE)

On näha, et nende kahe E0 on sarnane, mis tekitab konkurentsisuhte, mis piirab oluliselt elektrolüsaatori tööpinget. Lisaks on nii ClOR reaktsioon kui ka hüpokloriti moodustumine kaheelektronilised reaktsioonid ja ClOR reaktsiooni on kineetiliselt lihtsam läbi viia kui OER nelja elektroni reaktsiooni, nii et OER ülepotentsiaal on tavaliselt suurem kui ClOR.

04

Uurimise staatus

Praegu on mereveest vesiniku tootmine alles uurimise ja katsetamise algstaadiumis ning seisab silmitsi paljude väljakutsetega, kuid merevee elektrolüüsist vesiniku tootmise uurimis- ja arendustegevuses on tehtud mõningaid edusamme. Aastal 2022 tegi akadeemik Xie Hepingi meeskond suure algupärase läbimurde mereveest vesiniku otsese tootmise valdkonnas ning lõi uuenduslikult uue põhimõtte ja tehnoloogia vesiniku otseseks tootmiseks mereveest ilma magestamiseta, mis on tingitud faasisiirdest ja migratsioonist. Kodu- ja välismaal on palju merevee vesiniku tootmise näidisprojekte, kuid need on endiselt väikesemahulised katseprojektid ja enamik neist on ehitamisel või kavandamisel.

Kuigi vesiniku tootmisel merevee elektrolüüsi abil on väikestest ja pilootkatsetest kuni lõpliku tööstusliku laiaulatusliku rakenduseni veel pikk tee. Usume aga, et kui seda tehnoloogiat lõpuks rakendatakse, jätab see vesinikuenergia triljonitasemel "dekarboniseerimise" teele kõige sügavama tindi!