Исследователи в Китае создают устройство для прямого расщепления морской воды для производства водорода

Dec 12, 2023

Петмал/iStock

Подписываясь, вы соглашаетесь с нашими Условиями использования и политикой. Вы можете отказаться от подписки в любое время.

Исследовательская группа в Китае разработала устройство, позволяющее расщеплять соленую морскую воду для прямого производства водорода. Устройство, мембранный электролизер морской воды, помогает решить проблемы побочных реакций и коррозии, присущие традиционным методам.

Команда под руководством Цзунпина Шао, профессора химического машиностроения в китайском Нанкинском технологическом университете, опубликовала свое исследование в журнале Nature и заявила, что их модель «проработала более 3200 часов в условиях практического применения без сбоев».

Большая часть водорода, производимого сегодня, производится из источников ископаемого топлива, что может значительно увеличить углеродный след. «Электрохимический электролиз соленой воды с использованием возобновляемых источников энергии в качестве исходного сырья является весьма желательным и устойчивым методом массового производства зеленого водорода», — говорится в сообщении.

Однако есть проблема. Свойства соленой воды приводят к коррозии электродов, используемых в различных системах, часто делая их неработоспособными. Использование полианионных покрытий для защиты от коррозии под действием хлорид-ионов или высокоселективных электрокатализаторов не дало достаточного практического применения.

Процесс опреснения может решить проблему, «но он требует дополнительных затрат энергии, что делает его экономически менее привлекательным». Размер оборудования, участвующего в процессе опреснения, также делает такие решения менее гибкими.

Электролизер обычно состоит из двух электродов, покрытых катализаторами, и мембрана разделяет составляющие компоненты — водород и кислород. Образование в процессе высококоррозионного газообразного хлора приводит к более быстрому разрушению катализаторов и электродов. Ионы магния и кальция в морской воде также могут блокировать мембраны. Эти факторы снижают общую эффективность и срок службы таких устройств.

«Наша стратегия реализует эффективный, гибкий и масштабируемый прямой электролиз морской воды, аналогичный расщеплению пресной воды, без заметного увеличения эксплуатационных затрат», — сказал Шао в интервью IEEE Spectrum.

Команда использует концентрированный раствор электролита гидроксида калия для погружения электродов, а пористая мембрана помогает отделить раствор электролита от морской воды. Мембрана, богатая фтором, блокирует жидкую воду, но пропускает водяной пар.

Во время электролиза вода в растворе электролита разлагается на составляющие его компоненты. Это приводит к изменению давления между электролитом и морской водой, в результате чего последняя испаряется. При этом вода проходит через мембрану в электролит и снова превращается в жидкую воду, пополняя запас для следующего цикла.

«Важно, что эта конфигурация и механизм обещают дальнейшее применение в одновременной очистке сточных вод на водной основе, восстановлении ресурсов и производстве водорода за один этап».

Исследователи уверены, что их устройство не только будет производить водород, но и сможет извлекать литий из морской воды. Дальнейшее применение устройства распространяется на такие виды деятельности, как очистка промышленной пресной воды.

Абстрактный

Электрохимический электролиз соленой воды с использованием возобновляемых источников энергии в качестве исходного сырья является весьма желательным и устойчивым методом массового производства зеленого водорода; однако его практическая жизнеспособность серьезно затруднена из-за недостаточной долговечности из-за побочных реакций электродов и проблем коррозии, возникающих из-за сложных компонентов морской воды. Хотя разработка катализаторов с использованием полианионных покрытий для подавления коррозии ионами хлорида или создания высокоселективных электрокатализаторов широко применяется и имеет скромный успех, она все еще далека от удовлетворительной для практического применения. Косвенное разделение морской воды с использованием процесса предварительного опреснения позволяет избежать проблем с побочными реакциями и коррозией, но требует дополнительных затрат энергии, что делает его экономически менее привлекательным. Кроме того, независимая громоздкая система опреснения делает системы электролиза морской воды менее гибкими с точки зрения размера. Здесь мы предлагаем метод прямого электролиза морской воды для производства водорода, который радикально решает проблемы побочных реакций и коррозии. Демонстрационная система стабильно работала при плотности тока 250 миллиампер на квадратный сантиметр более 3200 часов в условиях практического применения без сбоев. Эта стратегия реализует эффективный, гибкий и масштабируемый прямой электролиз морской воды, аналогичный расщеплению пресной воды, без заметного увеличения эксплуатационных затрат и имеет высокий потенциал для практического применения. Важно отметить, что эта конфигурация и механизм обещают дальнейшее применение в одновременной очистке сточных вод на водной основе, рекуперации ресурсов и производстве водорода за один этап.