Что такое производство водорода из морской воды? Почему так много внимания? Какие технические трудности?

Почему успех пилотного испытания получения водорода методом прямого электролиза морской воды привлек столько внимания? Насколько это сложно? Какие технические трудности необходимо преодолеть для получения водорода электролизом морской воды?

01

Производство водорода из морской воды

Производство водорода путем электролиза воды считается очень важной технологией получения зеленого водорода. В настоящее время в промышленной технологии электролиза воды в качестве электролита используется пресная вода. Как мы все знаем, глобальные ресурсы пресной воды крайне ограничены, а широкомасштабное применение гидроэлектроэнергии для производства водорода, несомненно, усугубляет нехватку ресурсов пресной воды. Напротив, морская вода богата ресурсами, что порождает идею «производства водорода из морской воды».

В отличие от пресной воды, на которую приходится 96,5 процентов общего объема воды на Земле, морская вода имеет сложный состав, включающий более 90 химических веществ и элементов. Большое количество ионов, микроорганизмов и частиц, содержащихся в морской воде, может привести к таким проблемам, как конкуренция побочных реакций, инактивация катализатора и закупорка диафрагмы при производстве водорода.

С этой целью технология производства водорода с использованием морской воды в качестве сырья сформировала два разных маршрута. Во-первых, прямое производство водорода из морской воды, то есть на основе природной морской воды, в основном производится электролизом или фотолизом. Во-вторых, косвенное производство водорода из морской воды заключается в опреснении и удалении примесей из морской воды, опреснении морской воды сначала для получения пресной воды высокой чистоты, а затем в производстве водорода.

02

Два главных преимущества

Морские платформы по производству водорода можно использовать в качестве долгосрочного хранилища энергии или производственных площадок для чистых химикатов, что позволит тесно интегрировать зеленую энергетику с системами химического производства.

Морская платформа по производству водорода может решить проблему потребления далеко идущей морской возобновляемой электроэнергии, а использование возобновляемой электроэнергии для производства водорода и зеленого аммиака на месте может стать основным методом применения далеко идущей морской возобновляемой энергии в будущее.

03

Техническая сложность

Техническая трудность 1: Многие примеси в морской воде влияют на выделение катодного водорода.

В процессе электролитической воды H2 осаждается с катода, для катодной реакции выделения водорода наиболее сложной проблемой является то, что в природной морской воде присутствуют различные растворенные катионы, такие как Na+, Mg2+, Ca2+ и т. д., кроме того, существуют разнообразные бактерии, микроорганизмы и мельчайшие частицы.

Эти примеси забивают электрод в ходе электролиза морской воды, а затем отравляют или ускоряют старение электрода/катализатора в электролитической системе, что приводит к снижению срока службы.

Техническая трудность 2: ионы хлорида вызывают анодную коррозию и влияют на реакцию анодного выделения кислорода.

В процессе электролиза воды с анода обычно выделяется О2. Однако присутствие большого количества ионов хлорида (Cl-) в морской воде вызовет серьезную коррозию материала анода, что приведет к повреждению электрода и повышению напряжения, что приведет к прекращению эффективной реакции выделения кислорода. Кроме того, высокая концентрация хлорид-ионов также будет возникать в анодной реакции окисления хлора, занимая активный центр катализатора, тем самым снижая эффективность анодной реакции выделения кислорода.

Техническая трудность 3: Конкуренция между реакцией анодного выделения кислорода и реакцией хлорирования кислорода.

В процессе электролиза морской воды анод будет подвергаться двум реакциям, а именно: реакции выделения кислорода (OER) и реакции хлорирования кислорода (ClOR). Реакция выделения кислорода: 4OH-→O2+H2O+4e-; E0=1,23 В (по сравнению с RHE)

Реакция окисления хлора: Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e-; E0=1,71 В (по сравнению с RHE)

Видно, что E0 у них одинаковый, что приводит к конкурентным отношениям, что значительно ограничивает рабочее напряжение электролизера. Кроме того, и реакция ClOR, и образование гипохлорита являются двухэлектронными реакциями, а реакцию ClOR легче осуществить кинетически, чем четырехэлектронную реакцию OER, поэтому перенапряжение OER обычно выше, чем у ClOR.

04

Статус исследования

At present, hydrogen production from seawater is still in the early stage of research and testing, and still faces many challenges, but the research and development of hydrogen production from seawater electrolysis has made some progress. In 2022, Academician Xie Heping's team made a major original breakthrough in the field of direct hydrogen production from seawater, and innovatively established a new principle and technology of direct hydrogen production from seawater without desalination driven by phase transition and migration. There are many demonstration projects of seawater hydrogen production at home and abroad, but they are still small-scale pilots, and most of them are under construction or proposed.

Хотя производство водорода путем электролиза морской воды еще предстоит пройти долгий путь от небольших и пилотных испытаний до окончательного широкого промышленного применения. Однако мы считаем, что на триллионном уровне водородной энергетики, если эта технология в конечном итоге будет применена, она оставит самые глубокие следы на пути «декарбонизации»!