Ano ang paggawa ng hydrogen mula sa tubig-dagat? Bakit sobrang atensyon? Ano ang mga teknikal na kahirapan?

Bakit ang tagumpay ng pilot test ng produksyon ng hydrogen sa pamamagitan ng direktang electrolysis ng tubig-dagat ay nakakuha ng napakaraming pansin? Gaano kahirap iyon? Ano ang mga teknikal na paghihirap na kailangang malampasan upang makagawa ng hydrogen sa pamamagitan ng seawater electrolysis?

01

Produksyon ng hydrogen mula sa tubig-dagat

Ang produksyon ng hydrogen sa pamamagitan ng water electrolysis ay itinuturing na isang napakahalagang teknolohiya sa paghahanda ng berdeng hydrogen. Sa kasalukuyan, ang komersyalisadong water electrolysis na teknolohiya ay gumagamit ng sariwang tubig bilang electrolyte. Tulad ng alam nating lahat, ang pandaigdigang mapagkukunan ng sariwang tubig ay lubhang limitado, kasama ang malakihang paggamit ng hydroelectricity upang makagawa ng hydrogen, na walang alinlangan na nagpapalala sa kakulangan ng mga mapagkukunan ng sariwang tubig. Sa kaibahan, ang tubig-dagat ay mayaman sa mga mapagkukunan, na nagbibigay ng ideya ng "paggawa ng hydrogen ng tubig-dagat".

Hindi tulad ng sariwang tubig, na bumubuo ng 96.5 porsiyento ng kabuuang dami ng tubig sa Earth, ang tubig-dagat ay may kumplikadong komposisyon na kinasasangkutan ng higit sa 90 mga kemikal at elemento. Ang isang malaking bilang ng mga ions, microorganism at particle na nasa tubig-dagat ay maaaring humantong sa mga problema tulad ng side reaction competition, catalyst inactivation at diaphragm blockage sa panahon ng produksyon ng hydrogen.

Sa layuning ito, ang teknolohiya ng produksyon ng hydrogen gamit ang tubig-dagat bilang hilaw na materyales ay nakabuo ng dalawang magkaibang ruta. Una, ang direktang paggawa ng hydrogen mula sa tubig-dagat, iyon ay, batay sa natural na tubig-dagat, ay pangunahing ginawa ng electrolysis o photolysis. Pangalawa, ang hindi direktang produksyon ng hydrogen ng tubig-dagat ay ang pag-desalinate at pag-alis ng mga dumi mula sa tubig-dagat, ang pag-desalinate ng tubig-dagat upang bumuo muna ng mataas na kadalisayan na tubig-tabang, at pagkatapos ay makagawa ng hydrogen.

02

Dalawang pangunahing bentahe

Maaaring gamitin ang mga offshore na platform ng produksyon ng hydrogen bilang pangmatagalang imbakan ng enerhiya o mga lugar ng produksyon para sa mga pinong kemikal, na nagpapahintulot sa berdeng enerhiya na malapit na maisama sa mga sistema ng produksyon ng kemikal.

Maaaring malutas ng offshore hydrogen production platform ang problema sa pagkonsumo ng malalayong Marine renewable electricity, at ang paggamit ng renewable electricity upang makabuo ng hydrogen at green ammonia sa lugar ay maaaring maging pangunahing paraan ng aplikasyon ng malalayong Marine renewable energy sa kinabukasan.

03

Kahirapang teknikal

Teknikal na kahirapan 1: Maraming impurities sa tubig-dagat ang nakakaapekto sa paglitaw ng cathode hydrogen evolution

Sa proseso ng electrolytic water, ang H2 ay namuo mula sa cathode, para sa cathode hydrogen evolution reaction, ang pinaka-mapaghamong problema ay mayroong iba't ibang dissolved cation sa natural na tubig-dagat, tulad ng Na+, Mg2+, Ca2+, atbp., Bilang karagdagan, mayroong iba't ibang bacteria, microorganism at maliliit na particle.

Ang mga impurities na ito ay magbara sa electrode sa pag-usad ng seawater electrolysis, at pagkatapos ay lason o mapabilis ang pagtanda ng electrode/catalyst sa electrolytic system, na magreresulta sa mahinang tibay.

Teknikal na kahirapan 2: ang chloride ions ay nagdudulot ng anodic corrosion at nakakaapekto sa anodic oxygen evolution reaction

Sa proseso ng electrolysis ng tubig, ang O2 ay karaniwang nauuna mula sa anode. Gayunpaman, ang pagkakaroon ng isang malaking bilang ng mga chloride ions (Cl-) sa tubig-dagat ay magdudulot ng malubhang kaagnasan ng anode material, na hahantong sa pagkasira ng elektrod at mataas na boltahe, kaya nagtatapos sa mahusay na reaksyon ng ebolusyon ng oxygen. Bilang karagdagan, ang mataas na konsentrasyon ng mga chloride ions ay magaganap din sa anode chlorine oxidation reaction, na sumasakop sa aktibong site ng catalyst, at sa gayon ay binabawasan ang kahusayan ng anode oxygen evolution reaction.

Teknikal na kahirapan 3: Kumpetisyon sa pagitan ng anodic oxygen evolution reaction at oxygen chlorination reaction

Sa proseso ng seawater electrolysis, ang anode ay sasailalim sa dalawang reaksyon, katulad: oxygen evolution reaction (OER) at oxygen chlorination reaction (ClOR). Reaksyon ng ebolusyon ng oxygen: 4OH-→O2+H2O+4e-; E0=1.23V (vs. RHE)

Reaksyon ng oksihenasyon ng klorin: Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e-; E0=1.71V (vs. RHE)

Ito ay makikita na ang E0 ng dalawa ay magkatulad, na magbubunga ng isang mapagkumpitensyang relasyon, na lubos na naglilimita sa gumaganang boltahe ng electrolyzer. Bilang karagdagan, ang parehong reaksyon ng ClOR at ang pagbuo ng hypochlorite ay dalawang-electron na reaksyon, at ang reaksyon ng ClOR ay mas madaling gumanap ng kinetically kaysa sa OER na apat na electron na reaksyon, kaya ang overpotential ng OER ay karaniwang sinusunod na mas mataas kaysa sa ClOR.

04

Katayuan ng pananaliksik

Sa kasalukuyan, ang produksyon ng hydrogen mula sa tubig-dagat ay nasa maagang yugto pa rin ng pananaliksik at pagsubok, at nahaharap pa rin sa maraming hamon, ngunit ang pananaliksik at pag-unlad ng produksyon ng hydrogen mula sa seawater electrolysis ay nakagawa ng ilang pag-unlad. Noong 2022, ang koponan ni Academician Xie Heping ay gumawa ng isang pangunahing orihinal na tagumpay sa larangan ng direktang produksyon ng hydrogen mula sa tubig-dagat, at makabagong nagtatag ng isang bagong prinsipyo at teknolohiya ng direktang produksyon ng hydrogen mula sa tubig-dagat nang walang desalination na hinimok ng phase transition at migration. Maraming mga demonstration project ng seawater hydrogen production sa loob at labas ng bansa, ngunit maliit pa rin ang mga ito, at karamihan sa mga ito ay nasa ilalim ng konstruksyon o iminungkahi.

Bagama't ang produksyon ng hydrogen sa pamamagitan ng seawater electrolysis ay may mahabang paraan upang pumunta mula sa maliliit at pilot test hanggang sa panghuling pang-industriya na malawak na aplikasyon. Gayunpaman, naniniwala kami na sa trilyon-level na track ng hydrogen energy, kung ang teknolohiyang ito ay ilalapat sa kalaunan, iiwan nito ang pinakamalalim na tinta sa kalsada ng "decarbonization"!