Получение водорода электролизом воды / Публикации / Элек.ру

Получение чистого водорода путем электролиза воды — самая очевидная и эффективная технология, и один из наиболее перспективных способов получения альтернативного топлива. Водород добывают из любого водного раствора, а при сгорании он превращается обратно в воду.

По сравнению с прочими методами получения водорода, электролиз воды отличается целым рядом преимуществ. Во-первых, в ход идет доступное сырье — деминерализованная вода и электроэнергия. Во-вторых, во время производства отсутствуют загрязняющие выбросы. В-третьих, процесс целиком автоматизирован. Наконец, на выходе получается достаточно чистый (99,99%) продукт. Из всех методов электролиза наиболее перспективным считают высокотемпературный электролиз (себестоимость водорода от 2,35 до 4,8 $/кг). Его следует иметь на технологическом вооружении, поскольку при определенных экономических условиях он может быть использован в крупнопромышленном масштабе.

Электролизом воды называется физико-химический процесс, при котором под действием постоянного электрического тока дистиллированная вода разлагается на кислород и водород. В результате разделения на части молекул воды, водорода по объему получается вдвое больше, чем кислорода. Эффективность электролиза такова, что из 500 мл воды получается около кубометра обоих газов с затратами около 4 квт/ч электрической энергии.

Технологический ток для протекания процесса электролиза воды для получения водорода и кислорода получается, как правило, при помощи промышленного выпрямителя с необходимыми рабочими параметрами, Обычно это напряжение до 90В и силой тока до 1500 А. Подходящим агрегатом является Пульсар СМАРТ.

На электронном дисплее выпрямителя Пульсар СМАРТ или в специальном ПО для компьютера можно контролировать все стадии процесса производства, что позволяет оператору следить за параметрами, и круглосуточно журналировать протекание технологического процесса. Полностью автоматическая работа, включающая непрерывный мониторинг всех параметров для безаварийного функционирования без надзора оператора. Все параметры, касающиеся напряжения и силы тока постоянно измеряются и контролируются микропроцессором выпрямителя. Более того, все контролируемые параметры фиксируются устройством, которое в случае сбоя или отклонения может автоматически остановить процесс и сигнализирует об этом при помощи световой колонны.

Выпрямители тока серии Пульсар СМАРТ разработаны в соответствии с самыми высокими требованиями промышленной эффективности и международными стандартами. При этом технологическое программное обеспечение допускает гибкую адаптацию к требованиям Заказчика, и постоянно совершенствуется.

Даёшь дешёвый водород. Найден упрощённый способ электролиза воды / Хабр

Схема электролиза без мембраны: два параллельных электрода располагаются на расстоянии в несколько сотен микрометров

Не секрет, что чистый водород — один из наиболее перспективных видов альтернативного топлива. Водород добывают из любого водного раствора, а при сгорании он превращается обратно в воду, что может быть прекраснее?

Проблема только в стоимости добычи водорода. Электролиз воды предполагает, что электроды погружаются в воду, а между ними находится полимерная мембрана. Ток идёт от катода к аноду, а на своём пути он (при помощи катализатора) расщепляет воду на кислород и водород. Полимерная мембрана выполняет важную функцию, разделяя получившиеся газы.

На сегодняшний в качестве мембраны с ионной проводимостью практически повсеместно используется нафион или другой тип мембраны. Но все они отличаются дороговизной и ограниченным сроком службы. К тому, мембраны требуют особых условий проведения электролиза. Например, нафион работает в жидкости только с низкой кислотностью и только с определёнными катализаторами.

Изобретение химиков из EPFL под руководством Деметри Псалтиса (Demetri Psaltis) позволяет избавиться от этих ограничений и намного удешевить электролиз воды.

Они провели ряд экспериментов с микроустройством, размещая электроды на разном расстоянии друг от друга и прогоняя между ними воду на разной скорости. Оказалось, что при определённом расстоянии между электродами H₂ и O₂ сами разлетаются в разные стороны, без всякой мембраны!

Причина такого поведения ионов — эффект Сегре-Зильберберга, когда при движении жидкости находящиеся в ней частицы поток уносит в стороны.

Учёные надеются, что им удастся приспособить прибор для работы с любыми видами жидких электролитов и любыми катализаторами, поскольку больше нет риска повреждения хрупкой мембраны. Исчезнут обязательные требования использовать только благородные металлы вроде платины из-за ограничений на кислотность (pH) жидкости.

Если получится масштабировать микроустройство до промышленного образца, то это кардинально снизит стоимость водорода, получаемого при электролизе воды.

Научная работа “A membrane-less electrolyzer for hydrogen production across the pH scale” опубликована в журнале “Energy & Environmental Science”, DOI: 10.1039/C5EE00083A (зеркало).

Новый метод электролиза производит в 4 раза больше водорода

Присутствующий в изобилии природе, водород может стать перспективным чистым источником топлива, однако из-за ряда проблем его применение пока не может получить широкого распространения. Ученые из Южной Кореи разработали новую систему получения газа из воды, которая, по их словам, намного эффективнее других электролизных технологий.

За основу своего изобретения исследовательская группа, в состав которой вошли ученые из Ульсанского национального института науки и техники, Корейского института энергетических исследований и женского университета Сукмун, взяла уже существующую конструкцию под названием «твердая оксидная электролизная ячейка» (SOEC).

В усовершенствованной модели, так же, как и в других электролизерах, электрический ток расщепляет воду на молекулы водорода и кислорода, которые затем отдельно улавливаются. Отличие заключается в том, что в предложенной установке оба электрода являются твердотельными, как и электролит, служащий проводником ионов.

В системах, использующих жидкие электролиты, необходимо постоянно контролировать уровень жидкости. К тому же со временем жидкие электролиты становятся причиной коррозии других компонентов. Твердотельные электролизёры лишены этих недостатков, работают при более высоких температурах и могут извлекать электричество из этого тепла, соответственно, энергозатраты при их функционировании минимальны.

До сегодняшнего дня существовало два варианта ячейки SOEC, в которых использовались разные электролиты: первая конструкция позволяла пропускать только ионы кислорода, а вторая – только ионы водорода. Такое одностороннее движение ограничивало количество производства водорода и требовало улучшений.

Сохранив все преимущества твердотельного электролизера, исследователи разработали новую высокоэффективную гибридную систему (Hybrid-SOEC), в которой используется проводник со смешанными ионами для одновременного переноса как отрицательно заряженных ионов кислорода, так и положительно заряженных ионов водорода (протонов).

Используя смешанный ионный проводник и электроды из слоистого перовскита, Hybrid-SOEC произвел 1,9 литра водорода в час, работая при напряжении ячейки 1,5 В и температуре 700° С. Исследователи говорят, что это в четыре раза эффективнее существующих систем электролиза воды, а после непрерывного функционирования устройства в течение 60 часов признаки ухудшения производительности полностью отсутствовали.

Читайте также: Плавучие солнечные платформы будут добывать водород из морской воды за счет электролиза

Источник: news.unist.ac.kr

А вы что думаете по этому поводу? Дайте нам знать – напишите в комментариях!

Понравилась статья? Поделитесь ею и будет вам счастье!

Химики создали устойчивый к хлоридной коррозии анод для электролиза воды

Yun Kuang et al., / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019

Ученые из Китая и США создали электрод, покрытый слоями из сульфида никеля и соединения никеля с железом, с высокой эффективностью разложения морской воды и устойчивостью к хлоридной коррозии. Соединив его с катодом, ученые создали устройство для генерации водородного топлива из морской воды, способное работать более тысячи часов. Исследование опубликовано в 

Proceedings of the National Academy of Sciences.

Водород считается одним из самых перспективных носителей чистой энергии, так как способен запасать ее в малых объемах (142 мегаджоуля на килограмм, почти в три раза больше, чем бензин) и не образует загрязняющих отходов при использовании.

Наиболее эффективным методом получения водородного топлива по сравнению с конверсией природного газа является электролиз воды (разложение под действием электрического тока). Использование пресной воды в качестве сырья нежелательно для этих целей, так как ее на Земле меньше трех процентов, а обессоливание морской воды весьма дорогостоящий процесс. Поэтому инженеры ищут способы получения водорода напрямую из морской воды.

Основная проблема, возникающая при продолжительном электролизе соленой воды, заключается в том, что хлориды, которые в ней содержатся, взаимодействуют с материалом анода. Сначала они адсорбируются на положительно заряженной поверхности электрода, образуя полианионы, затем хлорид заменяется на гидроксид и материал электрода разрушается. Помимо этого, в щелочной среде хлорид окисляется до гипохлорида легче, чем гидроксид-ион до кислорода. Поэтому последнюю реакцию необходимо катализировать, чтобы не расходовать энергию электролиза на побочные процессы.

Юнь Куан (Yun Kuang) с коллегами из Стэнфордского университета создали и протестировали устойчивый к хлоридной коррозии анод, покрытый проводящим слоем сульфида никеля и слоем катализатора из железа и никеля. Небольшую пористую пластинку из никеля (1×3,5 сантиметра) кипятили в растворе серы в толуоле, а на полученный слой сульфида никеля (NiS_x) путем электрохимического восстановления нанесли каталитический слой интерметаллического соединения железа с никелем (FeNi). Для того, чтобы проверить элеткролитические способности анода, ученые соединили двуслойный анод с катодом и провели электролиз модельных щелочных растворов хлорида натрия и морской воды из залива Сан-Франциско.

Этапы создания и состав двуслойного анода из пористого никеля

Yun Kuang et al., / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019

Исследователи учли и тот факт, что по мере прохождения электролиза концентрация соли будет увеличиваться, и протестировали систему на растворах с бóльшим содержанием хлорида натрия, чем в морской воде, а также в промышленных условиях (сильнощелочной среде и повышенных температурах). В паре с никелевым катодом, покрытым оксидами никеля и хрома, анод функционировал без видимых разрушений более тысячи часов.

Проанализировав газы после электролиза, авторы исследования не обнаружили следов хлора, что свидетельствует о том, что анод селективно окислял только кислород. Проводящий сульфидный слой обеспечивал наличие анионных групп, которые, как предполагают химики, отталкивали хлорид-ионы, не позволяя им сорбироваться на материале анода и разрушать его. Чистые никелевые пористые пластинки или пластинки только с сульфидным слоем функционировали меньше 20 минут, а никелевый анод, покрытый интерметаллидом железа с никелем продержался 12 часов. Эти эксперименты демонстрируют ключевую роль наличия обоих слоев (NiS_x и FeNi) для того, чтобы анод долгое время не подвергался коррозии. 

Для стабильной работы такой электролитической ячейки в морской воде с плотностью тока 800 миллиампер на квадратный сантиметр оказалось достаточно наложить напряжение в два-три вольта. Такое значение разности потенциалов смогла обеспечить относительно небольшая панель солнечной батареи.

Электролиз морской воды под действием солнечной энергии

Yun Kuang et al., / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019

Ранее уже создавали устройства для электролиза, которые работают на энергии солнца. Американские ученые предложили автоматизировать процесс электролиза воды и создали плавучую электролитическую ячейку для генерации водородного топлива со встроенной солнечной батареей.

Алина Кротова

Химики собрали дешевый электролизер на солнечных батареях

Микрофотография наностержней оксида кобальта

Liang et al / ACS Nano, 2020

Американские и китайские химики разработали новый солнечный электролизер — устройство для получения водорода из воды при помощи солнечной энергии. Ученые намеренно отказались от использования дорогостоящих материалов: в основе электролизера — катализаторы из наностержней оксида кобальта и перовскитный солнечный элемент, которые заключены в упаковочную пленку. Эффективность преобразования солнечной энергии в водород — 6,7 процента. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Nano.

Один из главных недостатков солнечных элементов — прерывистый характер работы. Мощность, выдаваемая солнечной электростанцией, зависит от сезона, времени суток и погоды. Поэтому для эффективного использования солнечной энергетики нужно научиться запасать энергию в светлое время суток, чтобы затем использовать ее, например, ночью. 

Проблему можно решить совмещением двух технологий: фотовольтаики и электрокаталитического получения водорода. В таком устройстве электричество, которое выработала солнечная батарея, сразу же используется для выделения водорода из воды путем электролиза. Далее водород можно использовать для получения электричества в темное время суток, а также хранить и перевозить. 

Энергия в таком устройстве преобразуется дважды: сначала энергия падающих фотонов переходит в электрическую энергию, а затем — в энергию химических связей молекулы водорода. Потери происходят на обоих этапах, поэтому эффективность таких устройств пока не очень высока: лучшие показывают эффективность в 16–19 процентов.

Обычно такие устройства изготавливают из кремниевых солнечных элементов, а в качестве катализаторов используют металлы платиновой группы — платину, иридий и рутений — и их соединения. Все эти материалы достаточно дороги, что затрудняет дальнейшее масштабирование солнечно-водородных систем.

Химики под руководством Цзюнь Лоу (Jun Lou) из Университета Райса впервые разработали солнечный электролизер, в котором не используются дорогостоящие материалы: солнечный элемент сделан из свинцово-галогенидного перовскита CH₃NH₃PbI₃, а катализатор для электролиза воды — из наностержней оксида кобальта.

Схема электролизера

Liang et al / ACS Nano, 2020

Перовскит выбрали еще и потому, что такие элементы демонстрируют более высокие значения напряжения холостого хода, чем кремниевые — в случае электролиза воды это преимущество очень важно. Наностержни оксида кобальта, в свою очередь, — это материал с большой удельной площадью поверхности, который наносят на электроды для улучшения эффективности электролиза. 

Наностержни синтезировали гидротермальным методом из раствора нитрата кобальта и мочевины, а затем дополнительно допировали фосфором: для этого их нагрели в печи вместе с гидрофосфатом натрия при 300 градусах Цельсия. Добавка фосфора улучшает электрокаталитическую активность стержней, позволяя проводить электролиз при более низких значениях потенциала.

Авторы намеренно отказались от использования дорогостоящих и редких материалов везде, где это было возможно. Например, в перовскитном солнечном элементе они заменили золотой катод на катод из угля, а также отказались от полимерного слоя между активным слоем и катодом. Этот слой изготавливают из полимера, который пропускает только дырки, но не пропускает электроны. Синтез подобных полимеров очень сложен, поэтому отказ от них делает устройство значительно дешевле.

Кроме того авторы впервые поместили перовскитный солнечный элемент непосредственно в раствор электролита. Это позволило снизить омические потери и добиться лучшей эффективности устройства. Вода для перовскитных солнечных элементов очень опасна — даже небольшие ее количества воды приводят к необратимой деградации таких устройств. Поэтому солнечный элемент нужно было надежно инкапсулировать — здесь авторы тоже не отступили от своих принципов и использовали коммерчески доступную упаковочную пленку Surlyn. Их эксперименты показали, что, нагрев такую пленку до 150 градусов Цельсия в течение нескольких секунд, можно получить полностью герметичное покрытие, которое надежно предохраняет солнечный элемент от влаги.

Эффективность преобразования солнечного света в электричество составила 10,6 процентов, а суммарная эффективность электролизера — 6,7 процентов. Это пока меньше, чем у лучших электролизеров на кремнии и металлах платиновой группы, однако авторы полагают, что в будущем их электролизер можно будет улучшить — например, используя другой состав перовскитного материала или экспериментируя с составом катализатора. 

Фотоэлектролиз планируют использовать в том числе для обеспечения энергией космических кораблей. Для этих целей голландские химики разработали и испытали ячейку, которая может работать в условиях микрогравитации.

Наталия Самойлова

Электролиз воды в промышленных генераторах водорода

Электролиз

это окислительно-восстановительная реакция, которая протекает только под действием электричества. В промышленных генераторах водорода для получения водорода и кислорода проводят электролиз воды. Для протекания реакции необходимо поместить в электролит два электрода, подключенных к источнику питания постоянного тока:

• Анод — электрод к которому подключен положительный проводник;
  
• Катод — электрод к которому подключен отрицательный проводник.

Ниже представлена  принципиальная схема промышленного щелочного электролизера.

Электролиз воды

Под действием электрического тока вода разделяется на составляющие ее молекулы: водород и кислород. Отрицательно заряженный катод притягивает катионы водорода а положительно заряженный анод  — анионы ОН^—.

Деминерализованная вода, используемая в промышленных электролизных установках сама по себе является слабым электролитом, поэтому в нее добавляют сильные электролиты для увеличения проводимости электрического тока. Зачастую выбирают электролиты с меньшим катионным потенциалом, чтобы исключить конкуренцию с катионами водорода : KOH или NaOH. Электрохимическая реакция протекающая на электродах выглядит следующим образом:

• Реакция на аноде: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻  — выделение кислорода;
  
• Реакция на катоде: 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻ — выделение водорода.

Промышленный электролизер собран по биполярной схеме, где между основными электродом и катодом помещены биполярные «промежуточные» электроды имеющие разные заряды по сторонам. Со стороны основного анода, промежуточный электрод имеет катодную сторону, со стороны катода — анодную (см. рисунок).

Далее, чтобы получить чистый водород и кислород, требуется разделить газы образующиеся на электродах, и для этого применяют разделительные ионно-обменные мембраны (см. рисунок).  Количество получаемого водорода в два раза больше получаемого кислорода и поэтому давление в водородной полости поднимается в два раза быстрее. Для уравнивания давления в полостях применяют уравнивающую давление мембрану на выходе из электролизера, которая предотвращает передавливание водорода в полость кислорода через каналы предназначенные для циркуляции электролита. 

Данный метод является наиболее применяемым методом в промышленности и позволяет получать газообразный водород с КПД от 50 до 70%  производительностью до 500 м³/час при удельных энергозатратах 4,5-5,5 Н₂м³/кВт-ч.

ЭЛЕКТРОЛИЗ НА ТПЭ

В настоящий момент к наиболее эффективным методом разделения можно отнести электролиз с применением твердо-полимерных электролитов на основе перфторированной ионно обменной мембраны. 

Данный тип электролизеров позволяет получать водород с КПД до 90% и является наиболее экологичным. Электролизеры с ТПЭ дороже щелочных в 6-7 раз и поэтому пока не получили свое распространение в промышленности.

 

Ученые из США разработали эффективный способ извлечения водорода из воды — Социальная ответственность

Исследователи из Университета штата Вашингтон разработали быстрый и недорогой способ извлечения водорода из воды. Для проведения химической реакции ученые предлагают использовать катализатор, представляющий собой нанопену из никеля и железа. О результатах исследования, опубликованного в журнале Nano Energy, сообщил портал The New Atlas.

Водород считается возобновляемым источником энергии. Несмотря на то, что это самый распространенный химический элемент во Вселенной, он практически не встречается в чистом виде. Получение водорода в процессе электролиза (распад вещества на составные части при прохождении через него постоянного электрического тока) воды является самым чистым способом, но для химической реакции необходимы катализаторы — редкоземельные металлы, такие как платина. Электролиз воды еще не достиг промышленного масштаба, в основном, из-за затрат на катализаторы и энергию.

Ученые из Университета штата Вашингтон использовали в качестве катализатора два дешевых и широко распространенных металла. За счет большой площади поверхности, контактирующей с водой, нанопена из никеля и железа сама вызывает реакцию распада. Исследователи также отметили, что этот материал работает эффективнее и требует меньше энергии, чем более дорогие катализаторы, при этом не намного снижая активность в процессе 12-часового испытания.

Большое количество нанопены может быть произведено относительно быстро, процесс создания исследователи описывают как «очень простой метод, который можно легко использовать в крупномасштабном производстве».

После лабораторных испытаний исследователи проведут более масштабные тесты.

Согласно результатам исследования Программы по окружающей среде ООН (ЮНЕП) о перспективах перехода на возобновляемые источники энергии, сейчас на долю возобновляемых источников приходится 20% глобального производства энергии.

Материал предоставлен проектом «+1».

Производство водорода: электролиз | Министерство энергетики

Как это работает?

Подобно топливным элементам, электролизеры состоят из анода и катода, разделенных электролитом. Различные электролизеры функционируют немного по-разному, в основном из-за разного типа материала электролита.

Электролизеры с полимерными электролитными мембранами

В электролизерах с полимерными электролитными мембранами (PEM) электролит представляет собой твердый специальный пластик.

• Вода реагирует на аноде с образованием кислорода и положительно заряженных ионов водорода (протонов).
• Электроны проходят через внешнюю цепь, а ионы водорода избирательно перемещаются через PEM к катоду.
• На катоде ионы водорода объединяются с электронами из внешней цепи с образованием газообразного водорода. Анодная реакция: 2H ₂ O → O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^— Катодная реакция: 4H ⁺ + 4e ^— → 2H ₂

Щелочные электролизеры

Щелочные электролизеры работают посредством переноса гидроксид-ионов (OH ^— ) через электролит от катода к аноду с образованием водорода на катодной стороне.Электролизеры, использующие жидкий щелочной раствор гидроксида натрия или калия в качестве электролита, коммерчески доступны в течение многих лет. Новые подходы, использующие твердые щелочнообменные мембраны в качестве электролита, перспективны в лабораторных условиях.

Твердооксидные электролизеры

Твердооксидные электролизеры, в которых в качестве электролита используется твердый керамический материал, который избирательно проводит отрицательно заряженные ионы кислорода (O ^2-) при повышенных температурах, генерируют водород немного по-другому.

• Вода на катоде соединяется с электронами из внешней цепи с образованием газообразного водорода и отрицательно заряженных ионов кислорода.
• Ионы кислорода проходят через твердую керамическую мембрану и реагируют на аноде с образованием газообразного кислорода и генерации электронов для внешней цепи.

Твердооксидные электролизеры должны работать при температурах, достаточно высоких, чтобы твердооксидные мембраны функционировали должным образом (около 700–800 ° C, по сравнению с электролизерами PEM, которые работают при 70–90 ° C, и промышленными щелочными электролизерами, которые работать при 100–150 ° C).Электролизеры на твердом оксиде могут эффективно использовать тепло, доступное при этих повышенных температурах (из различных источников, включая ядерную энергию), для уменьшения количества электроэнергии, необходимой для производства водорода из воды.

Почему рассматривается этот путь?

Водород, произведенный посредством электролиза, может привести к нулевым выбросам парниковых газов, в зависимости от источника используемой электроэнергии. Источник необходимой электроэнергии, включая ее стоимость и эффективность, а также выбросы в результате производства электроэнергии, необходимо учитывать при оценке выгод и экономической целесообразности производства водорода посредством электролиза.Во многих регионах страны сегодняшняя электросеть не идеальна для обеспечения электроэнергией, необходимой для электролиза, из-за выбросов парниковых газов и количества топлива, необходимого из-за низкой эффективности процесса производства электроэнергии. Производство водорода посредством электролиза используется для возобновляемых (ветряных) и ядерных источников энергии. Эти пути приводят к практически нулевым выбросам парниковых газов и загрязняющих веществ.

Потенциал для синергизма с производством электроэнергии из возобновляемых источников
Производство водорода посредством электролиза может открыть возможности для синергизма с производством переменного тока, что характерно для некоторых технологий возобновляемых источников энергии.Например, несмотря на то, что стоимость энергии ветра продолжает снижаться, присущая ветру изменчивость является препятствием для эффективного использования энергии ветра. Водородное топливо и производство электроэнергии могут быть интегрированы в ветряную электростанцию, что позволит гибко менять производство, чтобы наилучшим образом согласовать доступность ресурсов с эксплуатационными потребностями системы и рыночными факторами. Кроме того, во время избыточного производства электроэнергии ветряными электростанциями вместо того, чтобы сокращать потребление электроэнергии, как это обычно делается, можно использовать это избыточное электричество для производства водорода путем электролиза.

Важно отметить …

• Сегодняшняя электросеть не является идеальным источником электроэнергии для электролиза, поскольку большая часть электроэнергии вырабатывается с использованием технологий, которые приводят к выбросам парниковых газов и являются энергоемкими. Производство электроэнергии с использованием технологий возобновляемой или ядерной энергии, либо отдельно от сети, либо в качестве растущей части структуры сети, является возможным вариантом преодоления этих ограничений для производства водорода посредством электролиза.
• Министерство энергетики США и другие продолжают усилия по снижению стоимости производства электроэнергии из возобновляемых источников и развитию более эффективного производства электроэнергии на основе угля с улавливанием, использованием и хранением углерода. Например, производство ветровой электроэнергии быстро растет в Соединенных Штатах и ​​во всем мире.

Исследования направлены на преодоление трудностей

• Снижение капитальных затрат на электролизер и баланс системы, а также повышение энергоэффективности преобразования электроэнергии в водород.
• Интеграция сжатия в электролизер, чтобы избежать затрат на отдельный водородный компрессор, необходимый для увеличения давления для хранения водорода.

Возобновляемое накопление электроэнергии с помощью электролиза

Реферат

Электролиз преобразует электрическую энергию в химическую, сохраняя электроны в виде стабильных химических связей. Химическая энергия может быть использована в качестве топлива или при необходимости преобразована обратно в электричество. Электролиз воды до водорода и кислорода — это хорошо зарекомендовавшая себя технология, в то время как фундаментальные достижения в области электролиза CO ₂ все еще необходимы для обеспечения краткосрочного и сезонного накопления энергии в виде жидкого топлива.В этой статье обсуждаются электролитические реакции, которые потенциально могут сделать возможным накопление возобновляемой энергии, включая воду, электролиз CO ₂ и N ₂ . Рассмотрены последние достижения и основные препятствия, связанные с электрокатализом и управлением массопереносом на системном уровне. Мы пришли к выводу, что знания и стратегии могут передаваться между этими различными электрохимическими технологиями, хотя есть также уникальные сложности, которые возникают из-за специфики вовлеченных реакций.

Создание устойчивых, чистых энергетических систем — одна из самых серьезных проблем, с которыми мир сталкивается в этом столетии. Рост населения и экономическое развитие в ближайшие десятилетия неизбежно приведут к значительному увеличению глобального потребления энергии (1, 2). Традиционные ископаемые источники энергии являются углеродно-положительными и вносят существенный вклад в изменение климата. Существуют различные альтернативные источники энергии с нулевым выбросом углерода, включая ядерное деление, биотопливо и производство электроэнергии из возобновляемых источников, таких как энергия ветра и солнца (1).Прогнозируется, что возобновляемая электроэнергия может обеспечить резкое снижение интенсивности выбросов двуокиси углерода, определяемой как выбросы двуокиси углерода на единицу выработанной энергии, несмотря на прогнозируемое увеличение общего энергопотребления (3).

Электроэнергия из возобновляемых источников, таких как ветер и солнечная энергия, стала экономически конкурентоспособной из-за многолетнего снижения затрат и достижений в области технологий. Глобально усредненная приведенная стоимость электроэнергии (LCOE) для солнечной фотоэлектрической (PV) энергии для коммунальных предприятий упала на 73% с 2010 года, в то время как LCOE от берегового ветра достигла 0 долларов.03kWh в некоторых частях мира (4). Согласно прогнозам, к 2020 г. цена на возобновляемую электроэнергию из всех коммерческих источников будет сопоставима или ниже цены на электроэнергию, полученную из ископаемого топлива (4). Одним из основных факторов падения LCOE для солнечной и ветровой энергии является резкое снижение затрат на установку. Глобальная средневзвешенная общая стоимость установки новых фотоэлектрических проектов, вводимых в эксплуатацию, снизилась с 2010 года на 68% до примерно 1600 долларов США за кВт.Стоимость строительства новых атомных и угольных электростанций очень неопределенна и зависит от различных факторов; однако были предложены общие затраты от 5 500 до 8 100 долларов за кВт и 3 500 долларов за кВт, соответственно, и ожидается, что они увеличатся в будущем (5, 6).

Несмотря на быстрый рост возобновляемой электроэнергии, текущая доля электроэнергии, вырабатываемой из возобновляемых источников, в структуре электроэнергетики остается низкой, при этом гораздо большая часть электроэнергии производится из газа, нефти и угля.Однако, основываясь на прогнозе эталонного случая, ожидается, что электроэнергия из возобновляемых источников вырастет с 18% до примерно 31% в период с 2018 по 2050 год (3). Одна из проблем, связанных с солнечной электроэнергией, — это прерывистый характер суточного солнечного цикла, который не очень хорошо согласуется со спросом и, следовательно, требует избыточных генерирующих мощностей на уровне сети или резервного питания на стороне потребителей. Например, на рис. 1 показано колебание чистой электрической нагрузки в зависимости от времени для весеннего дня в Калифорнии.Начиная примерно с 16:00, для восполнения дефицита электроэнергии солнечной энергии требуется подача дополнительных 13000 МВт электроэнергии из несолнечных источников, таких как природный газ и ядерная энергия, в течение 3 часов (7).

Рис. 1.

Устойчивое использование энергии. Схема накопления и использования энергии на основе электролиза. Избыточная электрическая энергия из возобновляемых источников может храниться посредством электролиза в качестве химического топлива. Энергия извлекается для выравнивания спроса в краткосрочной перспективе и для удовлетворения потребности в топливе в сезоны, когда возобновляемые источники энергии менее доступны.График перемежаемости ( нижний левый ) данные из исх. 7.

Таким образом, колеблющаяся мощность от солнца и ветра требует значительного накопления энергии, как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе. Существует несколько способов хранения электрической энергии, включая физические подходы, такие как аккумулирование энергии гидроэлектростанциями и сжатым воздухом; крупногабаритные батареи, такие как свинцово-кислотные, литиевые, натриево-серные батареи и проточные батареи; и электролиз, при этом гидроэлектростанция является ведущей технологией в секторе накопления энергии (8).Большинство этих методов страдают тем, что подходят только для кратковременного хранения или ограничены конкретными географическими требованиями. Электролиз выделяется как средство хранения электрической энергии в виде стабильных химических связей. Потенциально огромная энергоемкость, незначительная скорость саморазряда, существующая инфраструктура и низкие капитальные затраты на содержание возобновляемого углеродного топлива делают их идеальными для сезонного хранения, что очень желательно с учетом сезонности возобновляемых источников энергии.Потребность в такой технологии будет становиться все более острой с ожидаемым более широким проникновением недорогой возобновляемой электроэнергии в энергосистему, как показано на рис. 1.

Хотя электролиз воды до водорода и кислорода является хорошо зарекомендовавшей себя технологией, эффективных и экономичных средств хранения электроэнергии в виде жидкого топлива пока не существует. Чтобы такая технология стала экономически конкурентоспособной с обильными ископаемыми видами топлива, нужно начинать с очень дешевой электроэнергии.Технико-экономический анализ электролиза CO ₂ показывает, что для того, чтобы топливо, полученное путем электролиза, было конкурентоспособным с ископаемым топливом, потребуется цена на возобновляемую электроэнергию ниже 0,04 доллара США / кВтч (9). Согласно базе данных Международного агентства по возобновляемым источникам энергии по затратам на возобновляемые источники энергии (4), эта цель находится на пути к достижению.

На рис. 1 мы проиллюстрировали, как можно достичь устойчивого энергетического цикла, сочетая электролиз с электричеством, вырабатываемым из солнца и ветра, среди других возобновляемых источников.Электролиз может производить как товарные химикаты, так и водород, уменьшая непостоянство возобновляемой энергии. В этом сценарии водородно-воздушные топливные элементы могут использоваться для преобразования энергии, которая хранится в виде водорода, обратно в электричество. Жидкое топливо с высокой плотностью энергии является предпочтительной формой для сезонного хранения и может образовывать экологически чистый энергетический цикл, если CO ₂ в воздухе может быть сконцентрирован для обеспечения эффективного электролиза. Активизируются исследования по улавливанию углерода из атмосферы (10), и несколько компаний работают над коммерциализацией технологии улавливания углерода.Электролиз CO ₂ в CO и водород (синтез-газ) был осуществлен с использованием множества различных электрокатализаторов и обеспечивает сырье для углеводородного топлива посредством процесса Фишера-Тропша. В качестве альтернативы продукты, связанные с C – C, включая этилен и этанол, могут быть получены непосредственно путем электролиза на медьсодержащих катализаторах, но эффективность, селективность и производительность этих реакций необходимо повысить. На рисунке не показано электрохимическое восстановление N ₂ до аммиака для производства удобрений.В этом случае электролиз использует неограниченное количество химического сырья, поскольку атмосфера Земли обеспечивает азот и воду, необходимые для реакции. Помимо производства топлива и удобрений с помощью электролиза, термохимический катализ обеспечивает известный метод гидрогенизации CO ₂ , CO и N ₂ . Двумя примерами являются процессы Фишера-Тропша и Габера-Боша, которые уже хорошо развиты в масштабах для производства жидких углеводородов и аммиака, соответственно.Следует отметить, что почти 80% энергии, потребляемой при синтезе аммиака, приходится на производство водорода посредством парового риформинга и реакции конверсии воды в газ (11). Электролиз воды обеспечивает потенциальную углеродно-нейтральную альтернативу обеспечению водорода для этих реакций.

Электролитический процесс ограничен тремя факторами, которые эффективно действуют как последовательные импедансы: кинетикой переноса электронов на электрифицированной границе раздела, массопереносом реагентов и продуктов и последовательным сопротивлением, включая перенос ионов.Перенос электронов через наэлектризованную границу раздела определяет кинетику окисления и восстановления, а перенос массы контролирует доступность реагента и скорость, с которой продукт может быть удален, как показано на рис. 2 A . Скорость переноса электронов и поток массопереноса связаны, поскольку они оба пропорциональны току. Активные катализаторы необходимы для снижения активационного барьера путем связывания и стабилизации определенных переходных состояний, рис. 2 B . Увеличение перенапряжения для одного или обоих электродных процессов ускоряет кинетику реакции за счет эффективного снижения активационного барьера, но дополнительные затраты на энергию снижают эффективность преобразования энергии, как показано на рис.2 Д . Когда кинетика переноса электрона достаточно быстрая, максимальная плотность тока достигается за счет ускорения подачи реагента. В случае электролиза CO ₂ это может быть достигнуто путем подачи реагента и удаления продуктов в газовой фазе, используя преимущество более быстрого коэффициента диффузии газов и избегая низкой растворимости CO ₂ в жидкой воде, как показано на рис.2 C .

Рис. 2.

Схема электролиза.( A ) Реагенты переносятся на поверхность электрода, где происходит катодная реакция. ( B ) Сравнение путей реакции HER с катализатором и без него. Катализатор стабилизирует промежуточное соединение и снижает энергию активации. ( C ) Электролизеры с подачей газа. Электролиз с подачей газа использует быструю диффузию газообразных молекул, что обеспечивает высокую плотность тока. Мембранные электролиты обычно требуются для управления ионами и разделения газов.( D ) Кинетика электрохимической HER. Энергия переходного состояния уменьшается по мере увеличения перенапряжения.

Электролиз воды

Электролиз воды имеет долгую историю, первая опубликованная демонстрация датируется 1789 годом, и теперь это хорошо зарекомендовавшая себя коммерческая технология. Например, большая установка щелочных электролизеров Norsk Hydro (с 1948 по 1990 год) на гидроэлектростанции была способна производить около 70 000 кг H ₂ / сут (8). Крупнейшая ветро-водородная установка была установлена ​​в Норвегии в 2004 году компаниями Norsk Hydro и Enercon, в которых ветряная турбина мощностью 600 кВт была соединена с электролизером мощностью 48 кВт (12).

За последние два десятилетия интерес к электролизу воды возрос из-за его потенциальной роли в водородной экономии энергии, включающей электролитическое производство, хранение, транспортировку и использование водорода в качестве топлива (2). Текущие исследования сосредоточены на водных электролизерах, которые можно разделить на категории в соответствии с их электролитами: щелочные электролиты, протонообменные мембраны (PEM) и твердотельные протонные или оксидные ионные проводники. Коммерческие электролизеры из ПЭМ достигают наилучших характеристик (энергоэффективность ∼70% при плотности тока 1.7 А / см ² , Giner Inc.) (13), но большое перенапряжение реакции анодного окисления водой и коррозионно-кислотная среда требуют использования катализаторов из драгоценных металлов. Мембранный электролит и изготовление биполярных пластин также значительно увеличивают стоимость. Щелочные электролизеры — это самая старая технология с несколько более низким КПД системы (КПД ~ 64%, при плотностях тока 1 А / см ² , ГВт) и более низкой стоимостью (800 долларов США / кВт) (13). Щелочные электролиты позволяют использовать катализаторы из неблагородных металлов, таких как Ni и Fe.

В последнее время проявился интерес к разработке лучших катализаторов для снижения стоимости и повышения эффективности электролиза воды. В кислых электролизерах PEM график вулкана коррелирует скорость катодной реакции выделения водорода (HER) с прочностью связи металл-водород на различных металлических катализаторах (рис. 3 A ) (14). Простое объяснение формы вулкана состоит в том, что металлы, которые слишком слабо связывают водород, не могут стабилизировать промежуточное соединение M – H, тогда как те, которые образуют очень сильные связи M – H, заполняют большинство мест связывания, оставляя мало места для нового акта адсорбции.В то время как прочность связи M – H является хорошим показателем для большинства катализаторов, некоторые металлы с определенными гранями, такие как Pt (111), демонстрируют в 20-200 раз более высокую плотность тока обмена HER в кислоте, чем в основании, даже несмотря на то, что H-связывание энергия похожа. Механистические исследования указывают на роль адсорбции гидроксида (15) или реорганизации воды под действием межфазного электрического поля во время процесса HER (16). Драгоценные металлы (Pd и Pt) являются лучшими катализаторами, но их стоимость и низкая естественная распространенность создают препятствия для использования этой технологии в очень больших масштабах.Таким образом, привлекательной стратегией является замена чистой Pt структурами ядро-оболочка, над- и подслой, легированными и поддерживаемыми структурами. Дальнейшее снижение содержания благородных металлов возможно за счет использования одноатомных катализаторов, появившихся в последние несколько лет. Высокая поверхностная энергия отдельных атомов способствует их слиянию и требует опор, которые могут прочно их закрепить. Электрокатализаторы могут также стабилизировать каталитические атомы металлов и модулировать их реакционную способность, отдавая или принимая электроны.Например, есть свидетельства переноса d-электронов между поздним переходным металлом (оксидом) и слоистыми носителями раннего переходного металла в сильном взаимодействии металл-носитель (17). Аналогичные соображения могут быть применимы к сплавам, содержащим металлы с различной электронной отрицательностью.

Рис. 3.

Электролиз воды. ( A ) График вулкана HER для каталитических элементов. Данные из исх. 14. ( B ) Диаграмма свободной энергии для ООР. Черная кривая относится к идеальному катализатору OER, тогда как красная кривая представляет собой настоящий катализатор (22).( C ) Сравнение низкотемпературного электролизера PEM и высокотемпературного электролизера SOEC. Данные из исх. 43. ( D ) Характеристики SOEC в режиме электролизера и топливного элемента с использованием протонного проводника при промежуточных температурах. Повышение температуры на 150 ° C резко улучшило плотность тока ячейки. Данные из исх. 44.

Одним из важных факторов электрокатализа является каталитически активная площадь поверхности. Плотность тока, нормированная на активную площадь поверхности, часто показывает скорость смены узлов и энергии активации, аналогичные планарному аналогу, даже если ток может отличаться на порядки величины (18).Однако при измерении площади поверхности могут возникать неточности из-за экспериментальных условий, включая проводимость электролита, покрытие поверхности и временные масштабы (19). Кроме того, поскольку кинетика переноса электрона является быстрой в кислых водных электролитах, активность HER обычно ограничена массопереносом и требует принудительной конвекции или методов ультрамикроэлектрода для измерения его внутренней активности.

Недавно был открыт ряд катализаторов HER на основе неблагородных металлов. Вдохновленный кофактором MoFe нитрогеназы, который имеет энергию связи водорода, близкую к энергии связи Pt, было показано, что краевые центры MoS ₂ , а также несколько металлофосфидных катализаторов проявляют активность по отношению к HER (20).Недавние исследования показали, что вакансии S и инженерия деформации также являются эффективными способами улучшения характеристик HER (21).

Реакция выделения кислорода (OER) с 4 электронами и 4 протонами является более сложной с механической точки зрения и неизменно включает значительные (от 250 до 300 мВ) перенапряжения в кислой среде. Считается, что реакция протекает через адсорбированные частицы M – OH с последующей стадией депротонирования. Газообразный кислород образуется либо из поверхностного гидроперокси-интермедиата, M – OOH, либо в результате бимолекулярной рекомбинации M – O.Для катализаторов ООР на основе оксидов со структурами каменной соли, рутила, шпинели и перовскита графики вулканов были построены исходя из теоретических соображений (22). Идеальный OER с оптимальной энергией связи имеет разность свободной энергии между M – OOH и M – OH (ΔGOH – ΔGOOH) 2,46 эВ, требуя начального потенциала 1,23 В (рис. 3 B ). Потенциалы начала действия реальных катализаторов, однако, значительно выше, потому что (ΔGOH-ΔGOOH) отклоняется от идеального случая и, как предполагается, регулируется свободной энергией связывания M – O.Универсальное среднее значение (ΔGOH-ΔGOOH), равное 3,2 эВ, согласуется с несколькими группами катализаторов, поскольку сила связывания ОН линейно зависит от силы связывания ООН (22). Хотя масштабное соотношение является полезным понятием для понимания каталитической активности, экспериментальная количественная оценка осложняется тем фактом, что свойства поверхности катализатора могут изменяться во время электрохимической операции, особенно в анодных условиях. Например, степени окисления металлов меняются в зависимости от приложенного потенциала, и этот эффект может привести к резким изменениям каталитической активности, проводимости и стабильности.Переход от Ni ²⁺ к Ni ³⁺ обычно является предпосылкой для высокой активности OER в щелочных катализаторах на основе никеля, поскольку первые являются изоляционными. Предварительная обработка поверхности катализатора перед испытанием важна для содержательной оценки и сравнения. Оксиды металлов с высокой растворимостью в более высоких степенях окисления часто нестабильны в кислой среде, и наблюдается компромисс между стабильностью и активностью Pt, Pd, Au и Ru (23). В настоящее время оксид иридия является единственным известным стабильным катализатором выделения кислорода в кислой среде, и он используется только в чистом виде в слое катализатора.

Проводящие опоры могут использоваться для снижения содержания драгоценных металлов, что приводит к снижению затрат и лучшему использованию катализаторов. Однако, хотя углерод можно использовать в качестве проводящей основы для обеих полуреакций в топливном элементе, его можно использовать только на стороне водорода в электролизере PEM; со стороны кислорода быстро разъедает. Оксидные носители, такие как мезопористый оксид олова, легированный индием, показали высокую проводимость (0,3 См / см) и многообещающую электрохимическую стабильность при анодных потенциалах (24).Таким образом, двумя ключевыми темами исследований кислотного электролиза являются поиск более распространенного и недорогого альтернативного оксиду иридия катализатора для выделения кислорода и / или открытие проводящего носителя, который также имеет долгосрочную стабильность в условиях выделения кислорода в кислой среде.

CO

₂ Электролиз

Электрохимическое восстановление CO ₂ до жидкого топлива и химикатов с добавленной стоимостью представляет собой возможное решение для сезонного хранения возобновляемой электроэнергии с нулевым выбросом углерода.CO ₂ может быть восстановлен до различных продуктов C1, включая монооксид углерода (CO), формиат, метан, метанол и продукты C2 +, включая этилен и этанол (25). Восстановление CO ₂ с высокой селективностью по CO и формиату уже реализовано, поскольку эти реакции представляют собой процесс передачи 2-х электронов (26). Сложнее получить продукт C2 + с высокой селективностью, так как процесс требует переноса более 2 электронов и нескольких протонов, что требует нескольких промежуточных продуктов реакции, некоторые из которых используются совместно с различными возможными продуктами.Высокое перенапряжение, необходимое для большинства катализаторов восстановления CO ₂ , также подразумевает низкую эффективность преобразования энергии, <50% (по сравнению с 60-70% для водных электролизеров) (9).

Как обсуждалось для OER, эффективность восстановления CO ₂ на металлических катализаторах ограничена линейными масштабными соотношениями. Например, на рис. 4 A показана корреляция свободной энергии (рассчитанной по теории функционала плотности, DFT) 2 промежуточных соединений при восстановлении CO ₂ до CO, E (COOH) и E (CO).Желательна более низкая свободная энергия и более стабильная связь M – COOH, тогда как более слабая связь с CO необходима для оптимизации десорбции продукта (27). Это сложно для одиночного металлического катализатора, если промежуточные соединения связываются с одним и тем же сайтом, потому что сила связи M – C линейно масштабируется. Мультиметаллические катализаторы вдохновлены активным центром фермента CO-дегидрогеназы CODH, в котором совместное связывание с 2 атомами металла стабилизирует переходное состояние CO ₂ ^— (28, 29).Cu является уникальным катализатором восстановления CO ₂ , потому что он отдает предпочтение продуктам C2 +, включая такие, как этанол, которые идеально подходят для сезонного хранения. Cu образует умеренно прочную связь с CO, но не настолько сильную, чтобы отравить поверхность, обеспечивая достаточное покрытие для этапов взаимодействия C – C или протонирования (30, 31). Каталитические пути, ведущие к углеводородам или оксигенатам на Cu, сложны и сильно связаны, о чем свидетельствует относительно низкая фарадеевская эффективность (FE) для получения этилена и этанола (рис.4 В ). Легирование Cu с другими металлами (29, 32–34) и построение наноструктур, которые модулируют химическое окружение сайта связывания CO (35–37), представляют собой интересные стратегии для управления распределением продуктов C2 +. Учитывая сложность этой проблемы, существует потребность в более совершенных спектроскопических датчиках и микроскопах, которые могут охарактеризовать структуру электрокаталитических центров. Систематический высокопроизводительный скрининг, основанный на вычислениях и машинном обучении, также становится эффективным средством решения электрокаталитических проблем такого рода (38).

Рис. 4.

CO ₂ электролиз. ( A ) Масштабное соотношение между адсорбционной силой COOH и CO на различных металлических поверхностях и в ферментах. Печатается с разрешения исх. 27. Авторское право Американского химического общества, 2013 г. ( B ) Сравнение плотности тока и FE восстановления CO ₂ до этилена (синий) и этанола (красный). Сплошные символы относятся к опубликованным тестам стабильности. Более высокая плотность тока достигается в конфигурации с тройной фазовой границей (TPB) по сравнению с восстановлением водной фазы CO ₂ (Aq.). Данные из исх. 29, 32–34 и 35–37. ( C ) Повышенный массоперенос CO ₂ вблизи поверхности иглы из золота. Большое электрическое поле на кончике иглы Au притягивает гидратированный K ⁺ , который концентрирует CO ₂ в своей сольватной оболочке. Адаптировано с разрешения исх. 39, Springer Nature: Nature , авторское право 2016. ( D ) Строительство TPB при электролизе CO ₂ с подачей газа. Катализатор Cu распыляется на пористый носитель из ПТФЭ, который обеспечивает путь диффузии газа.Из исх. 40. Печатается с разрешения AAAS.

Существуют также острые проблемы системного уровня при электролизе CO ₂ . Низкая растворимость CO ₂ в воде в кислых условиях создает ограничение массопереноса, и при высоких перенапряжениях реакция HER становится доминирующей. Стратегии концентрации CO ₂ на поверхности электрода могут до некоторой степени смягчить эту проблему (рис. 4 C ) (39), а массоперенос значительно улучшается, когда CO ₂ подается в газовой фазе.В этом случае очень важно построить трехфазную границу (TPB) с большой площадью поверхности, где встречаются катализатор, электролит и газообразный реагент. На рис. 4 D показан TPB, изготовленный путем напыления слоя катализатора Cu на подложку из политетрафторэтилена (ПТФЭ), предотвращающую затопление системы, поверх которой нанесен углеродный проводящий слой. Газообразный CO ₂ диффундирует через пористый слой ПТФЭ, и HER подавляется с помощью щелочного электролита (40). Уроки биологических систем, таких как растения C4 (растения с альтернативным путем фотосинтеза, включающие CO ₂ в промежуточное соединение C4, оксалоацетат), могут вдохновить другие стратегии по концентрации CO ₂ в конфигурации TPB.Фотосинтезирующие организмы развили способность направлять CO ₂ на рибулозо-1,5-бисфосфат в качестве источника углерода для цикла Кальвина. Растения C4 приобретают дополнительную концентрацию, улавливая CO ₂ в 4-углеродном соединении и передавая его в клетки оболочки пучка для декарбоксилирования, что приводит к локальной поставке CO ₂ для фиксации (41). Аналогичное хранение и доставка CO ₂ решает главную проблему электролизеров CO ₂ с газовой подачей, поскольку скорость однопроходного преобразования в современных электролизерах низкая.Можно представить себе оснащение диффузионного слоя в электролизере градиентно-локализованными «ячейками оболочки пучка», которые утилизируют непрореагировавший газ CO ₂ из TPB и передают его вниз к реакционным участкам, достигая более высоких показателей конверсии.

Ряд уроков, извлеченных из водных электролизеров, можно применить к проблеме электролиза CO ₂ , хотя некоторые проблемы специфичны для CO ₂ . Градиенты pH, возникающие в мембранных электролитах, требуют затрат энергии в водных электролизерах, которые работают в нейтральном или почти нейтральном растворе, и по этой причине все водные электролизеры работают в сильно кислых или сильно щелочных условиях.Использование буферных растворов при электролизе CO ₂ создает градиенты pH и проблемы управления протонами при высокой плотности тока. Для водных электролизеров биполярная мембрана (BPM) решает эту проблему за счет работы катода и анода в кислоте и основании соответственно. Такое расположение минимизирует потери поляризации мембраны, поскольку самодиссоциация воды в BPM обеспечивает ионы H ⁺ и OH ^— на катод и анод, соответственно. Эта стратегия может быть применена к электролизу CO ₂ , но с некоторыми изменениями, поскольку для восстановления CO ₂ требуется оптимальный pH, отличный от HER.Использование BPM также снижает перекрестную проблему как анионных, так и нейтральных продуктов (42).

Твердотельные электролиты

Поскольку скорость химических реакций экспоненциально возрастает с температурой, промежуточные и высокотемпературные электролизеры эффективны для снижения перенапряжения электродов как для анодных, так и для катодных реакций. На рис. 3 C сравниваются поляризационные кривые ячейки PEM при 60 ° C и ячейки для электролиза твердых оксидов (SOEC) при 800 ° C (43), а на рис.3 D показывает данные для ячейки, содержащей твердотельный протонпроводящий электролит (44). Электродные реакции в промежуточных (от 250 до 500 ° C) и высокотемпературных (от 600 до 800 ° C) электролизерах немного отличаются от таковых в полимерных электролизерах в зависимости от типа используемого электролита. Например, в SOEC водяной пар или CO ₂ реагирует на катоде с образованием H ₂ или CO, соответственно, и O ^2- в 2-электронном процессе. На аноде ионы O ^2- объединяются с образованием газа O ₂ .

(La _1-x Sr _x ) _1-y MnO ₃ является одним из наиболее изученных катализаторов для анода SOEC, но имеет проблемы с отслаиванием от электролита, вызывающим увеличение поляризации (45 ). На катоде никель и другие металлы с поздним переходом часто используются в качестве катализаторов SOEC, но обычно они не очень стабильны при требуемых температурах (46). Испытания проводились с использованием перовскитов, включая La _0,6 Sr _0,4 VO _3-d и (La _0.75 Sr _0,25 ) _0,95 Mn _0,5 Cr _0,5 O ₃ в качестве катализаторов на катоде с многообещающими результатами (47, 48). La _1-x Sr _x Ga _1-y Mg _y O ₃ имеет оксид-ионную проводимость в 5 раз выше, чем у типичных циркониевых электролитов, но его стабильность в SOEC еще не исследована подробно ( 49). Одно исследование с использованием La _1-x Sr _x Ga _1-y Mg _y O ₃ в твердооксидном топливном элементе показало, что выходное напряжение спадает при 1 мВ / ч (50), что составляет не жизнеспособен для коммерческой системы.Протонпроводящие электролиты также очень перспективны, потому что они могут достигать более высокой проводимости, чем оксидпроводящие материалы, при относительно низких температурах (51). Наиболее изученным типом протонпроводящих электролитов являются перовскиты BaZrO ₃ и BaCeO ₃ , где первый более стабилен, а второй более проводит (52). Хорошим компромиссом между двумя сталями стал BaCe _0,5 Zr _0,3 Y _0,2 O _3-d , что привело к впечатляющей плотности тока 830 мА / см ² при 1.5 В (53). Обратной стороной керамических протонных или оксидных ионных проводников является то, что ионная проводимость не так высока, как у полимерных электролитов, а высокие рабочие температуры вызывают со временем разрушение даже материалов электрода и электролита. Один из способов, которым исследователи пытались минимизировать деградацию, — это понизить рабочую температуру. Недавно было показано, что твердые кислоты являются хорошими проводниками протонов при промежуточных температурах. Например, CsHSO ₄ , CsH ₂ PO ₄ и Cs ₂ (HSO ₄ ) (H ₂ PO ₄ ) показали высокую протонную проводимость, а также некоторые другие, включая Rb ₃ H (SeO ₂ ) ₂ , (NH ₄ ) ₃ H (SO ₄ ) ₂ и K ₃ H (SO ₄ ) ₂ .Эти материалы достигают электропроводности при температурах от 120 до 300 ° C, но ограничены своими хрупкими механическими свойствами (54). Дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на улучшении взаимодействия электролита и катализатора, чтобы свести к минимуму расслоение. Еще одна интересная разработка заключалась в использовании электролитов, которые могут проводить как протоны, так и ионы оксидов. Одна группа изготовила гибридный SOEC, используя BaZr _0,1 Ce _0,7 Y _0,1 Yb _0,1 O _3-d в качестве электролита, который мог произвести 3.16 А / см ² при 1,3 В и 750 ° C. Эти характеристики намного лучше, чем у одиночных ионопроводящих электролитов (55). Исследования твердотельных систем для разделения воды и электролиза CO ₂ демонстрируют устойчивый прогресс и являются многообещающими для получения топлива и химического сырья (H ₂ и CO) из электроэнергии. Haldor Topsøe уже производит SOEC для крупномасштабного производства CO по запросу из CO ₂ с чистотой до 99.999% (56).

Электрохимическое восстановление азота

Электросинтез аммиака (ESA) изучается, чтобы лучше понять электрокаталитическую активацию диазота и ее ограничения. Это было сделано в диапазоне температур путем реакции газа N ₂ на катоде и воды на аноде, которые разделены протонпроводящим электролитом, или взаимодействия N ₂ и воды на катоде с использованием анион-проводящего электролит. Из-за 6-электронной природы реакции восстановления N ₂ фарадеевская и энергетическая эффективность для объединения окисления воды и восстановления азота имеют тенденцию быть очень низкими.Более часто изучаемый подход заключается в использовании более высоких температур и подаче H ₂ на анод. Это может увеличить FE за счет окисления H ₂ , но при высоких температурах возникает риск разложения любого образующегося NH ₃ (57). В низкотемпературной ЭИА наиболее часто исследуемой мембраной является нафион из-за ее высокой проводимости и стабильности, хотя один из самых высоких КЭ, о которых сообщалось до сих пор (41%), был получен из анионообменной полимерной мембраны с железным катодом (58). Другие протестированные катализаторы включают Pt, Ru и оксиды проводящих металлов с аналогичными результатами (59).Несколько попыток использовать расплавленные соли при 400 ° C с N ^3- в качестве подвижного иона в электролите и Ni в качестве катализаторов показали, что FE достигает 80% и скорость синтеза выше, чем у любого твердого оксидного проводника (60). В этом случае электрокатализаторами обычно являются металлы с поздним переходом, такие как серебро, никель или палладий, а электролиты часто такие же, как те, что используются в SOEC, расщепляющих воду (59). Одна исследовательская группа также использовала CH ₄ в качестве источника водорода вместо H ₂ с аналогичными результатами (61).Низкий КЭ и низкая плотность тока — постоянные проблемы для исследований ESA. При более высоких температурах КЭ составляет от <1 до 80%, но плотности тока слишком малы для практических целей и составляют от <1 до 23 мА / см ² . Для температур ниже 100 ° C КЭ обычно составляет от 1 до 2%, хотя есть несколько отчетов, которые были значительно выше и могут показывать многообещающие, если плотность тока может быть улучшена (58). Расчеты DFT помогли прояснить проблемы электрокатализа азота.В частности, одна группа обнаружила, что различия в энергиях адсорбции промежуточных продуктов NH _x * далеки от оптимальных значений для желаемой реакции, что представляет собой сложную проблему для ESA (62).

Перспективы

Рост мощности возобновляемых источников энергии за счет солнечной, ветровой и других углеродно-нейтральных источников ограничен отсутствием адекватных решений для краткосрочного и долгосрочного хранения энергии. Жидкие виды топлива на основе углерода идеально подходят для длительного хранения энергии из-за их высокой плотности энергии и хорошо развитой инфраструктуры для их транспортировки, хранения и использования.Электролиз обеспечивает ключевое звено между электрической энергией и жидким топливом либо путем прямого электросинтеза из CO ₂ и воды, либо путем получения сырья для синтеза топлива, такого как водород и синтез-газ. Последние электролитические процессы, в которых участвуют катодные реакции с 2 электронами и 2 протонами, уже хорошо разработаны с научной и технологической точек зрения. Электролиз воды с использованием щелочных электролизеров получил коммерческое распространение в тех частях мира, где гидроэлектроэнергия является дешевой и широко распространенной.Демонстрация технологий производства CO и синтез-газа была успешной как для систем на основе низкотемпературных полимерных электролитов, так и для высокотемпературных твердотельных электролизеров.

Прямое электролитическое производство жидкого топлива, такого как этанол или аммиак, требует от нас освоения каскадов электрокаталитических реакций, помимо простых одноэлектронных промежуточных продуктов. В то время как восстановление CO ₂ до продуктов, связанных с C – C на медьсодержащих катализаторах, известно с 1980-х годов, подробный механизм стал понятен только недавно путем объединения теории электронной структуры с экспериментальными электрохимическими и спектроскопическими экспериментами.Обнадеживающий прогресс был достигнут в поисках катализаторов и электролитов, которые позволяют селективно производить продукты C ₂ , такие как этилен и этанол, но высокие катодные и анодные перенапряжения ограничивают эффективность этих процессов. Помимо изучения катализа, стратегии улучшения транспорта реагентов, продуктов и ионов также важны для разработки эффективных электролизеров для CO ₂ и N ₂ .

Наше понимание хорошо разработанных технологий, таких как электролиз воды, дает полезное руководство для решения других проблем электрохимического преобразования энергии.Принципы катализа в многоэлектронных реакциях, например линейные масштабные соотношения, можно переносить от одной реакции к другой. Уроки на системном уровне также являются общими для разных электролитических систем. Например, управление протонами с помощью BPM решает проблемы системного уровня как для воды, так и для электролиза CO ₂ . Снижение перенапряжения электродов при повышенных температурах эффективно для воды и электролиза CO ₂ с образованием H ₂ и CO и в будущем может быть применено к реакциям, непосредственно производящим жидкое топливо.Природные ферментные системы также вдохновляют на разработку новых стратегий для предварительного концентрирования и доставки реагентов, а также на контроль среды каталитически активных центров для повышения как селективности, так и эффективности электрокатализаторов для производства жидкого топлива.

Заявление о доступности данных

Нет данных, связанных с этой статьей.

Благодарности

Авторы выражают признательность Управлению фундаментальных энергетических наук, Отделению химических наук, геонаук и энергетических биологических наук, Департаменту энергетики за поддержку их исследований по солнечной фотоэлектрохимии по контракту DE-FG02-07ER15911 и Канадскому институту перспективных Программа Research Bio-Inspired Solar Energy для поддержки их работы по электрокатализу CO ₂ .

Сноски

• Вклад авторов: J.A.T. и T.E.M. спланированное исследование; З.Я. и J.L.H. проведенное исследование; и Z.Y., J.L.H., J.A.T. и T.E.M. написал газету.

• Авторы заявляют об отсутствии конкурирующей заинтересованности.

• Настоящий документ является результатом Коллоквиума Артура М. Саклера Национальной академии наук «Состояние и проблемы декарбонизации нашего энергетического ландшафта», состоявшегося 10–12 октября 2018 г. в Национальном центре имени Арнольда и Мейбл Бекман. Академии наук и инженерии в Ирвине, Калифорния.Коллоквиумы НАН начались в 1991 г. и с 1995 г. публикуются в PNAS. С февраля 2001 г. по май 2019 г. коллоквиумы поддерживались щедрым подарком от Дамы Джиллиан и д-ра Артура М. Саклера Фонда искусств, наук и гуманитарных наук в память мужа дамы Саклер, Артура М. Саклера. Полная программа и видеозаписи большинства презентаций доступны на веб-сайте NAS http://www.nasonline.org/decarbonizing.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

Повышение эффективности производства водорода за счет солнечного электролиза воды

Основные моменты

•

Использование водорода в качестве возобновляемого энергоносителя.

•

Повышение эффективности производства водорода с использованием пульсирующих электрических полей.

•

Повышение эффективности производства водорода с помощью магнитных полей.

•

Повышение эффективности производства водорода с использованием полей световой энергии.

•

Важность учета молекулярной динамики H ₂ O во время электролиза.

Реферат

Рост антропогенной деятельности привел к значительному росту глобального потребления энергии. В настоящее время большая часть производства энергии использует ископаемое топливо, что приводит к экологически вредной деятельности и образованию токсичных побочных продуктов, которые способствуют ухудшению состояния окружающей среды и изменению климата.Возобновляемый водород — это экологически чистый энергоноситель, который может заменить ископаемое топливо в качестве глобального источника энергии. Однако низкая эффективность коммерчески жизнеспособных электролизеров ограничивает использование возобновляемого водорода в качестве энергоносителя. В этом исследовании представлен обзор текущего состояния электролиза воды на солнечных батареях, а также некоторые инновационные приложения, используемые для повышения общей эффективности таких систем. Такие подходы включают приложение магнитных полей; поля световой энергии; ультразвуковые поля; и пульсирующие электрические поля.Это исследование также дает новое понимание того, почему такие приложения могут повысить эффективность электролиза. Включая новые взгляды на то, почему рассмотрение некоторых аспектов молекулярной динамики воды может еще больше повысить эффективность таких приложений из-за способности приложенных энергетических полей уменьшать прочность молекулярных связей внутри и между молекулами воды за счет изменения энергетического спинового состояния молекул воды. ; уменьшение количества водородных связей в воде; и увеличение расстояния между водородом и кислородом и кислородом с кислородными связями в воде.Основываясь на результатах этого исследования, дальнейшие успехи в эффективном производстве возобновляемого водорода потребуют рассмотрения молекулярной динамики молекулы воды.

Ключевые слова

Возобновляемый водород

Производство водорода

Электролиз воды

Возобновляемая энергия

Солнечно-водородный гибрид

Молекулярная динамика

Аббревиатуры

PEM

Протонообменная мембрана

KJROEL

Молярный оксид

SOEL

Твердый оксид на моль

кВтч Нм ⁻³

Киловатт-час на нормальный кубический метр

Акм ⁻²

Ампер на квадратный сантиметр

Нм ³ / час

Нормальных кубических метров в час

долларов США / кВт

долларов США за киловатт

PTFE

Политетрафторэтилен

EDL

Электродинамический диффузионный слой

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

Просмотреть аннотацию

© 2020 Elsevier Ltd.Все права защищены.

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

Производство водорода электролизом воды из ПЭМ — обзор

Основные моменты

•

Электролиз воды — одна из наиболее многообещающих альтернатив для хранения энергии из возобновляемых источников энергии.

•

Электролиз воды PEM обеспечивает устойчивое решение для будущего чистого производства водорода высокой степени чистоты.

•

Обзор электролиза воды PEM, включая проблемы, научные и технологические достижения.

•

Ясно обсуждаемые быстрые разработки в области электролиза воды на основе ПЭМ, включая высокоэффективные электрокатализаторы.

Реферат

Водород — самый эффективный энергоноситель. Водород можно получить из различных источников сырья, включая воду. Среди многих методов производства водорода экологически чистый и высокочистый водород можно получить электролизом воды. Однако с точки зрения устойчивости и воздействия на окружающую среду электролиз воды из ПЭМ считался наиболее многообещающим методом для высокоэффективного производства водорода из возобновляемых источников энергии и выделяет только кислород в качестве побочного продукта без каких-либо выбросов углерода.Более того, произведенные водород (H ₂ ) и кислород (O ₂ ) непосредственно используются для топливных элементов и промышленных применений. Однако общее расщепление воды приводит к тому, что только 4% мирового промышленного водорода производится путем электролиза воды, в основном из-за экономических проблем. В настоящее время возросшее стремление к производству зеленого водорода увеличило интерес к электролизу воды из PEM. Таким образом, недавно были завершены значительные исследования по разработке экономичных электрокатализаторов для электролиза воды на основе ПЭМ.В этом обзоре мы обсудили недавние разработки в области электролиза воды на основе ПЭМ, включая высокоэффективные и недорогие электрокатализаторы на основе HER и OER, а также решены новые и старые проблемы, связанные с электрокатализаторами и компонентами элементов PEM. Этот обзор будет способствовать дальнейшим усовершенствованиям исследований и дорожной карте, чтобы поддержать разработку водного электролизера PEM как коммерчески осуществимой цели производства водорода.

Ключевые слова

Производство водорода

Электролиз воды PEM

Электрокатализаторы

Реакция выделения водорода (HER)

Реакция выделения кислорода (OER)

Рекомендуемые статьиЦитирующие статьи (0)

© 2019 Авторы.Производство и размещение компанией Elsevier B.V. от имени KeAi Communications Co., Ltd.

Рекомендуемые статьи

Цитирование статей

Прорыв в электролизе может решить водородную загадку

Предоставлено: Университет Монаша.

Водородный газ — идеальное экологически чистое топливо — его можно извлечь из воды, и он не загрязняет окружающую среду. Но хотя водород является самым распространенным элементом во Вселенной, в природе он не встречается в больших количествах в виде газа на Земле.

Водородный газ — идеальное экологически чистое топливо — его можно извлечь из воды, и он не загрязняет окружающую среду. Но хотя водород является самым распространенным элементом во Вселенной, в природе он не встречается в больших количествах в виде газа на Земле.

Гонка продолжается, чтобы найти дешевые, эффективные, экологически чистые способы производства и хранения водорода. Давно известно, что электрический ток заставляет элементы воды — водород и кислород — расщепляться с образованием водорода и кислорода в процессе, известном как электролиз.Этот процесс также можно обратить, чтобы генерировать электричество, когда газообразные водород и кислород взаимодействуют в топливном элементе (НАСА использовало топливные элементы для питания спутников и космических капсул с 1960-х годов).

До недавнего времени стоимость электроэнергии была препятствием для производства газообразного водорода в промышленных количествах путем электролиза. Но недорогие технологии возобновляемой электроэнергии устранили этот барьер.

Еще одно препятствие состоит в том, что для эффективного разделения воды на водород и кислород потребовались катализаторы из редких и дорогих металлов, таких как платина и иридий.Иридий — один из самых редких и дорогостоящих элементов на Земле — его часто переносят метеориты. И даже самые стабильные катализаторы на основе иридия выдерживают электролиз лишь в течение короткого времени.

«Если вы увеличите температуру во время электролиза воды, катализатор на основе иридия растворится, и вы его потеряете», — поясняет доктор Александр Симонов из Химической школы Монаша. «Это худшее, что может случиться — растворить то, что стоит сотни долларов за грамм.Он также может попасть в другие компоненты вашего электролитического устройства, загрязняя их и препятствуя их нормальной работе ».

Первые водные электролизеры использовали щелочную воду, и это остается традиционным подходом, говорит д-р Симонов. Но более продвинутая и эффективная технология использует кислотную среду с использованием твердотельных электролитов — к сожалению, катализаторы не могут выдерживать эту среду в течение длительного времени.

Д-р Симонов и члены его исследовательской группы, в том числе д-р.Манджунат Чатти и Джеймс Гардинер сделали открытие с огромным потенциалом для решения проблемы нестабильности, сделав производство водорода электролизом воды более экономически выгодным.

«Мы заменяем иридий элементами, которые в изобилии, дешевы и работают более стабильно», — сказал д-р.- говорит Симонов. «Мы продемонстрировали их стабильность в очень сильнокислых условиях и до 80 ° C, что является промышленно приемлемой температурой. Мы не достигли абсолютно никакой деградации».

Автобусы на водороде едут по дорогам Бразилии. Предоставлено: Университет Монаша.

Доктор Симонов описывает систему, которую он разрабатывает со своей командой, как «самовосстанавливающуюся». Поскольку все металлы — даже иридий — растворяются во время электролиза, исследователи задались вопросом, может ли растворенный материал повторно осесть на электроде во время работы.

«Оказалось, что может», — говорит он. «Мы создали высокоактивную поверхность электрода на основе большого количества металлов, которая поддерживает промышленно приемлемые скорости расщепления воды». По его словам, высокая температура и сильнокислая окружающая среда «отличает нашу последнюю работу от почти всех работ в научном мире и приближает нас к промышленному применению».

Австралийское агентство по возобновляемым источникам энергии (ARENA) финансирует дальнейшие исследования с целью повышения эффективности и разработки масштабируемого процесса производства электродов, подходящего для промышленности.Доктор Симонов и его команда работают над достижением этой цели с профессором химии Monash Дугласом Макфарлейном и сотрудниками Австралийского национального университета, профессором Антонио Триколи и профессором Юн Лю.

Австралия, с ее обильным солнцем и ветром, может стать сверхдержавой в области возобновляемых источников энергии. Используя электролиз, водородный газ может быть получен из избыточной электроэнергии, вырабатываемой крупными проектами возобновляемой энергетики. Этот водород можно было бы использовать в качестве топлива в Австралии и экспортировать в страны, жаждущие альтернатив ископаемым видам топлива.

Автобусы, работающие на водороде, сейчас ездят по дорогам Бразилии, а Южная Корея и Япония уже продемонстрировали твердую приверженность внедрению водородных транспортных средств и водорода в качестве основного энергоносителя.

Министр федеральных ресурсов Мэтт Канаван на этой неделе подписал письмо о намерениях с Южной Кореей разработать план по водороду к концу года, сигнализируя о намерении правительства Австралии расширить экспортный потенциал. Этот толчок совпадает с выпуском отчета Geoscience Australia, в котором страна названа будущим «мировым лидером» в этой области.

Но газообразный водород легко воспламеняется, и его транспортировка сопряжена с некоторыми трудностями. Одна из будущих возможностей — преобразовать газ в аммиак. Эта цель также исследуется д-ром Симоновым и его коллегами в рамках проекта Monash Ammonia Project, возглавляемого профессором Макфарлейном.

Д-р Симонов говорит, что тем временем поставщик энергии AGL изучает, как можно расширить прорыв в области электролиза, чтобы добавить устойчиво производимый водород в трубопроводы природного газа в Австралии в качестве способа сокращения выбросов углерода.По словам Симонова, водород уже используется таким образом в северном полушарии. Еще одна ведущая австралийская компания, проявляющая большой интерес к водородным технологиям, — это Woodside, которая вложила значительные средства в исследования Monash.

Доктор Симонов и профессор Макфарлейн также сотрудничают с молодой австралийской компанией ANT Energy Solutions, которая разрабатывает портативный водородный электролизер при финансовой поддержке Программы совместных исследовательских центров. Портативный блок можно погрузить в грузовик и перевезти туда, где доступна дешевая возобновляемая энергия.- говорит Симонов.

---

Исследовательская группа возглавляет прорыв в области зеленой химии для возобновляемых источников энергии

---

Предоставлено Университет Монаша

Ссылка : Прорыв в электролизе может решить водородную загадку (2019, 25 сентября) получено 20 июня 2021 г. с https: // физ.org / news / 2019-09-electrolysis-breakthrough-водород-conundrum.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

ученых разработали самый эффективный катализатор расщепления воды

Ученые только что нашли новый дешевый и эффективный способ расщепления воды на водород и кислород — и это может означать, что в будущем мы сможем производить большое количество чистого водородного топлива.

Водород — фантастический источник чистой энергии, но задача состоит в том, чтобы сделать его достаточно эффективным и практичным по цене. Сообщается, что недавно разработанный катализатор решает обе проблемы, демонстрируя большую эффективность при более низкой стоимости, чем существующие решения, и он может работать в течение 20 часов подряд.

По словам ученых Хьюстонского университета, которые разработали катализатор, он отвечает всем требованиям с точки зрения долговечности и хранения энергии, а также стоимости и эффективности.

«Водород — это самый чистый первичный источник энергии на Земле», — говорит один из членов группы, Пол К. В. Чу. «Вода могла бы быть самым распространенным источником водорода, если бы можно было отделить водород от его прочной связи с кислородом в воде с помощью катализатора».

Чтобы разделить воду на водород и кислород, необходимы две реакции — по одной для каждого элемента. Основная проблема заключалась в получении эффективного катализатора для кислородной части уравнения, которую, по словам исследователей, они теперь решили.

Катализатор состоит из метафосфата железа и проводящей пено-никелевой платформы. Команда считает, что комбинация материалов более эффективна и менее дорога, чем существующие решения.

Он также демонстрирует впечатляющую долговечность в ходе испытаний, работая более 20 часов и 10 000 циклов без заминки.

Использование нового метода означает, что водород можно производить без образования отработанного углерода. Этого нельзя избежать при существующих методах производства, таких как паровой риформинг метана и газификация угля.

И до сих пор кислородные реакции часто основывались на электрокатализаторах, в которых использовались иридий, платина или рутений — «благородные» металлы, добыча которых является сложной и дорогой. Эксперты говорят, что кислородные реакции стали узким местом всего процесса.

Никель, напротив, более распространен, поэтому его легче и дешевле получить. Металл лежит в основе другого метода расщепления воды, открытого в прошлом году, поэтому теперь у ученых есть несколько способов улучшить производство водорода.

Само по себе расщепление обычно осуществляется за счет электрического тока или солнечной энергии, но поскольку вода захватывает только небольшую часть светового спектра, более продуктивно сначала преобразовывать солнечный свет в энергию, а затем использовать электричество для выделения водорода.

Если ученым удастся разгадать формулу, водород в конечном итоге сможет привести в действие все, от домов до автомобилей. И это гораздо лучший вариант для окружающей среды, чем ископаемое топливо с выбросом CO2 — водородное топливо производит воду в качестве побочного продукта сгорания, что является экологически безопасным и экологически чистым.

И хорошая новость в том, что если путь электролиза воды не сработает, исследователи также изучают способы получения водорода из биомассы.

Чем меньше тепла и меньше энергии мы тратим на приготовление водорода, тем лучше для нашей планеты — а когда он будет готов, он станет намного чище и экологичнее, чем ископаемое топливо.

«Мы считаем, что наше открытие — гигантский шаг к практическому и экономичному производству водорода путем расщепления воды, который внесет значительный вклад в усилия по сокращению потребления ископаемого топлива», — говорят исследователи из Хьюстона.

Их результаты были опубликованы в PNAS .

Повышение эффективности водоразделения в процессе электролиза воды с помощью высокопроводящих наноматериалов при более низких напряжениях

Альфедо У., Гандиа Л.М., Санчис П. (2012) Производство водорода при электролизе воды: текущее состояние и будущие тенденции. Proc Inst Electr Electron Eng 100 (2): 410–426. https://doi.org/10.1109/JPROC.2011.2156750

Артикул Google Scholar

Асматулу Р. (2013) Безопасность нанотехнологий.Elsevier, Амстердам

Забронировать Google Scholar

Asmatulu R, Khan A, Adigoppula G, Hwang G (2017) Улучшенные транспортные свойства тонкой мембраны Nafion ^® на основе графена для топливных элементов с полимерно-электролитной мембраной. Int J Energy Res 42: 508–519. https://doi.org/10.1002/er.3834

Артикул Google Scholar

Ball M, Basile A, Veziroglu TN (2015) Сборник водородной энергетики: использование водорода, безопасность и водородная экономика.Woodhead Publishing Series в Energy, Нью-Йорк

Google Scholar

Bhuyan MSA, Uddin MN, Bipasha FA, Islam MM, Hossain SS (2015) Обзор функционализированного графена, свойств и его приложений. Int J Innov Sci Res 17 (2): 303–315

Google Scholar

Бхуян М.С.А., Уддин М.Н., Бипаша Ф.А., Хоссейн С.С. (2016) Синтез графена. Int Nano Lett 6: 65–83. https: // doi.org / 10.1007 / s40089-015-0176-1

Артикул Google Scholar

De Souza FR, Loget G, Padilha JC, Martini EMA, de Souza MO (2008) Молибденовые электроды для производства водорода электролизом воды с использованием ионных жидких электролитов. Electrochem Commun 10: 1673–1675. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2008.08.029

Артикул Google Scholar

Desai FJ, Dave P, Tailor H (2014) Оценка производительности и выбросов окси-газа в 4-тактном двигателе.Int J Mech Eng Technol 5 (9): 455–462

Google Scholar

Дубей П.К., Синха АСК, Талапатра С., Кораткар Н., Аджаян П.М., Шривастава О.Н. (2010) Производство водорода путем электролиза воды с использованием анода из углеродных нанотрубок. Int J Hydrog Energy 35: 3945–3950. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.01.139

Артикул Google Scholar

Эспозито В.Д., Хант С.Т., Киммел Ю.К., Чен Дж.Г. (2012) Новый класс электрокатализаторов для получения водорода путем электролиза воды: монослои металлов, нанесенные на недорогие карбиды переходных металлов.J Am Chem Soc 134: 3025–3033. https://doi.org/10.1021/ja208656v

Артикул Google Scholar

Freda C, Nanna F, Villone A, Barisano D, Brandani S, Cornacchia G (2019) Воздушная газификация дигестата и его совместная газификация с остаточной биомассой в пилотной вращающейся печи. Int J Energy Environ Eng 8: 1–12. https://doi.org/10.1007/s40095-019-0310-3

Артикул Google Scholar

Технический отчет Международного энергетического агентства (2013 г.) 2013 г. Ключевые мировые источники энергии.Статистика. http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/KeyWorld2013_FINAL_WEB.pdf

Jayabal S, Saranya G, Wu J, Liu Y, Geng D, Meng X (2017) Понимание высоких электрокаталитических характеристик двумерных нанолистов MoS ₂ и их композиционных материалов. J Mater Chem A 5: 24540–24563

Артикул Google Scholar

Kaminski MPM (2007) Каталитическая активность интерметаллидов на основе Pt для получения водорода — влияние ионного активатора.Appl Catal A Gen 321: 93–99. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2007.01.036

Артикул Google Scholar

Кришна С.В., Кумар П.К., Верма К., Бхагаван Д., Химабинду В., Нарасу М.Л., Сингх Р. (2019) Повышение уровня производства биогидрогена из сточных вод, отработанных с винокурни, с использованием процесса электрокоагуляции. Energy Ecol Environ 4 (4): 160–165. https://doi.org/10.1007/s40974-019-00122-9

Артикул Google Scholar

Кумар SSA, Уддин М.Н., Рахман М.М., Асматулу Р. (2018) Внедрение тонких пленок графена в композитные структуры из углеродного волокна для защиты от ударов молнии.Polym Compos 40 (S1): E517 – E525

Артикул Google Scholar

Merki D, Fierro S, Vrubel H, Hu X (2011) Аморфные пленки сульфида молибдена как катализаторы для электрохимического производства водорода в воде. Chem Sci 2: 1262–1267. https://doi.org/10.1039/C1SC00117E

Артикул Google Scholar

Nageshkar V, Srikanth M, Jurak E, Asmatulu R (2013) Влияние проводящих наноматериалов на производство водорода во время электролиза.В: Международный конгресс и выставка машиностроения ASME, Сан-Диего, Калифорния, 2014 г., https://doi.org/10.1115/imece2013-66512

Nuraje N, Asmatulu R, Mul G (2015) Зеленые фотоактивные наноматериалы: устойчивая энергетика и восстановление окружающей среды. Издательство RSC Publishing, Кембридж

Книга Google Scholar

Патель CRP, Трипати П., Вишвакарма А.К., Талат М., Сони П.К., Ядав Т.П., Шривастава О.Н. (2018) Повышенное образование водорода при электролизе воды с использованием композитов с углеродной наноструктурой.Int J Hydrog Energy 43: 3180–3189. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.12.142

Артикул Google Scholar

Сакинтуна Б., Ламари-Даркрим Ф, Хиршер М. (2007) Металлогидридные материалы для хранения водорода: обзор. Инт. Журнал Hydrog Energy 32 (9): 1121–1140. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2006.11.022

Артикул Google Scholar

Салахуддин М., Уддин М. Н., Хванг Г., Асматулу Р. (2018) Супергидрофобные нановолокна ПАН для газодиффузионных слоев топливных элементов с протонообменной мембраной для управления катодной водой.Инт. Журнал Hydrog Energy 43 (25): 11530–11538. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.07.229

Артикул Google Scholar

Тао Х, Гао Й, Талреджа Н., Гуо Ф, Текстер Дж, Ян С., Сан Зи (2017) Двумерные нанолисты для электрокатализа при производстве и преобразовании энергии. J Mater Chem A 5: 7257–7284

Статья Google Scholar

Уддин М.Н., Хуанг З.Д., Май Ю.В., Ким Дж.К. (2014) Свойства графеновой оксидной бумаги, интеркалированной углеродными нанотрубками, при растяжении и разрыве.Углерод 77: 481–491. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.05.053

Артикул Google Scholar

Уддин М.Н., Диллон М., Мисак Х., Асматулу Р. (2018) Пост-выращивание УНТ на проволоке УНТ для изучения изменений физических свойств. В: Конференция выставки Composite and Advanced Materials Expo (CAMX), Даллас, Техас

Uddin MN, Le L, Nair R, Asmatulu R (2019) Влияние тонких пленок оксида графена и нанокомпозитных покрытий на огнестойкость и термостойкость самолетов композиты: сравнительное исследование.J Eng Mater Technol 141 (3): 031004. https://doi.org/10.1115/1.4042663

Артикул Google Scholar

Ван М., Ван З., Гонг З., Го З. (2014) Технологии интенсификации электролиза воды для производства водорода — обзор. Renew Sustain Energy Rev 29: 573–588. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.08.090

Артикул Google Scholar

Yoro KO, Sekoai PT, Isadiade AJ, Daramola MO (2019) Обзор методов интеграции тепла и массы для минимизации энергии и материалов во время улавливания CO ₂ .