Pag -aaral sa pagganap ng mga lamad at mga materyales ng anode para sa paggawa ng hydrogen sa pamamagitan ng alkalina na electrolysis ng tubig

Abstract: produksiyon ng hydrogen niWater Electrolysismaaaring i-convert ang malakihang nababago na enerhiya sa berdeng hydrogen, na malawakang ginagamit bilang iba't ibang mga mapagkukunan ng enerhiya na may mababang carbon terminal, tulad ng gasolina, enerhiya ng kemikal at transportasyon, at may malaking kabuluhan sa pagbawas ng paglabas ng carbon. Bilang isang teknolohiya na may pinakamaraming potensyal at malakihang aplikasyon, ang electrolysis ng tubig ng alkalina para sa paggawa ng hydrogen ay sumasakop sa isang nangingibabaw na posisyon sa industriya ng electrolysis ng tubig. Batay sa layunin ng pagbabawas ng overpotential ng produksyon ng hydrogen sa pamamagitan ng electrolysis, pinag -aralan ang pagganap ng dayapragm at mga materyales na anode ng elektrod. Ang mga resulta ay nagpapakita na ang polymer composite diaphragm zirfon ay may mas mababalamad Ang paglaban kaysa sa polyether sulfide na hindi pinagtagpi na tela, na maaaring mabawasan ang labis na labis na electrolysis ng tubig ng higit sa 0.3V. Ito ay higit sa lahat dahil ang zirfon diaphragm ay may mas mababang paglaban ng lamad at mas mataas na hydrophilicity, at ang hydrophilicity ng dayapragm ay makakaapekto sa rate ng paggamit ng mga aktibong site ng elektrod. Ang mas mataas na hydrophilicity, mas mababa ang impedance ng pag -activate ng salansan. Sa pamamagitan ng paghahambing ng pagganap ng nickel mesh at nickel foam, natagpuan na ang paglaban ng nikel mesh kapag ginamit bilang isang anode electrode ay mas mababa kaysa sa nickel foam, at mayroon itong mas mababang overpotential ngelectrolysis ng tubig. Maaari itong magbigay ng isang tiyak na sanggunian para sa pag -optimize ng dayapragm at elektrod, ang mga pangunahing sangkap ng electrolyzer, at naaayon sa pagbabawas ng gastos ng electrolysis.

0 Panimula

Ang enerhiya ng hydrogen ay may mga pakinabang ng zero polusyon, mataas na halaga ng calorific, storability at malawak na aplikasyon. Ang teknolohiya ng electrolysis ng tubig ay maaaring gumamit ng nababagong enerhiya at pagbabagu -bago ng labis na kuryente upang makabuo ng hydrogen, na kung saan ay itinuturing na pinaka -perpekto at palakaibigan na paraan upang makabuo ng hydrogen. Samakatuwid, ang pagbuo ng nababago na enerhiya ng tubig ng electrolysis hydrogen production ay may malaking kabuluhan sa seguridad ng enerhiya at pagbawas ng paglabas ng carbon dioxide. Gayunpaman, sa kasalukuyan lamang 4% ng hydrogen ng mundo ay nagmula sa electrolysis ng tubig, higit sa lahat dahil sa mataas na gastos ng produksiyon ng electrolysis ng tubig, na kung saan ang pagkonsumo ng kuryente at mga gastos sa electrolyzer ay mga bottlenecks na naghihigpit sa malaking sukat na aplikasyon nito. Hinimok ng layunin na "dalawahan na carbon", ang pag -unlad ng teknolohiya ng nababagong lakas ng lakas ng lakas ng lakas ay hindi maiiwasang hahantong sa karagdagang pagbawas sa mga presyo ng kuryente at maging isang malakas na katalista para sa pagbuo ng industriya ng produksyon ng hydrogen ng tubig. Ang teknolohiyang produksiyon ng electrolysis ng alkalina ay nakakaakit ng maraming pansin dahil sa mga pakinabang nito tulad ng mababang gastos, mahabang buhay at masaganang mga mapagkukunan ng materyal, at ang pagiging angkop nito para sa malakihang paggawa ng hydrogen. Gayunpaman, sa malakihang senaryo ng application ng hydrogen production, ang kasalukuyang density at kahusayan ng enerhiya ng teknolohiyang electrolysis ng alkalina ay kailangan pa ring mapabuti upang mapagbuti ang mga kagamitan at mga gastos sa pagkonsumo ng kuryente, at ang diaphragm at mga materyal na elektrod bilang mga pangunahing sangkap ay naglalaro ng isang mahalagang papel sa ito.

Ang pagganap ng dayapragm na ginamit sa alkalinaelectrolysis ng tubigay may malaking impluwensya sa pagkonsumo ng kuryente ng electrolyzer at ang kadalisayan ng hydrogen na ginawa. Sa mga unang araw, ang dayapragm na ginamit sa alkalina na electrolysis ng tubig upang makabuo ng hydrogen ay asbestos. Dahil sa mga isyu sa kalusugan at kaligtasan, unti-unting pinalitan ito ng polyphenylene sulfide (PPS) na mga tela na hindi pinagtagpi, ngunit ang gas hadlang na epekto ng PPS na hindi pinagtagpi na tela ay kailangan pa ring mapabuti upang mapagbuti ang kadalisayan ng hydrogen. Sa mga nagdaang taon, pinag -aralan ng mga tao ang iba't ibang mga materyales upang makakuha ng mga diaphragms na may mababang pagtutol at mahusay na hydrophilicity at kakayahan sa hadlang ng gas. Ang pinaka -pinag -aralan ay mga organikong polimer at ang kanilang mga composite membranes, tulad ng polysulfone diaphragms, polyether diaphragms, polytetrafluoroethylene diaphragms, pps diaphragms, atbp.

Ang elektrod ay ang lugar kung saan nangyayari ang reaksyon ng electrocatalytic at ang pangunahing sangkap ng electrolyzer. Ang pagganap nito ay direktang nakakaapekto sa labis na labis na electrolysis ng tubig at isa rin sa mga pangunahing kadahilanan na naghihigpit sa pagpapatakbo ng alkalinaelectrolysis ng tubigUpang makabuo ng hydrogen sa mataas na kasalukuyang density. Ang anode ay ang rate ng pagtukoy ng rate ng reaksyon ng electrolysis, at ang aktibidad ng ebolusyon ng elektrod na oxygen ay partikular na mahalaga para sa buong reaksyon ng electrolysis. Ang mga tradisyunal na alkalina na electrolyzer ay gumagamit ng nikel mesh bilang anode electrode dahil ang nikel mesh ay may angkop na aktibidad ng electrolytic, mahusay na paglaban sa kaagnasan at mababang gastos. Upang higit pang mapabuti ang pagganap ng anode, ang mga materyales sa elektrod na may mataas na aktibidad at malaking lugar sa ibabaw ay naging isa sa mga mahahalagang direksyon ng pananaliksik. Halimbawa, ang nikel foam, haluang metal na batay sa nikel, oxides, spinels, perovskite-type oxides, atbp ay malawak na pinag-aralan. This paper studies the effects of two key materials, the diaphragm and the anode electrode, on the electrolysis performance, reveals the importance of diaphragm thickness and hydrophilicity, and obtains the effect of resistance on the performance of nickel mesh and nickel foam as anode materials, in order to provide a reference for the development and optimization of key materials for alkalineelectrolysis ng tubig.

1. Eksperimento

1.1 Mga Eksperimentong Materyales

Ang electrolyte na ginamit sa eksperimento ay binubuo ng analytical purong koH at ultrapure water (18.2MΩ); Ang cathode electrode ay isang Raney nickel mesh (0.50mm); Ang anode electrode ay isang nikel mesh (0.50mm) at nickel foam ng iba't ibang mga kapal; Ang mga materyales na dayapragm ay mga PP na hindi pinagtagpi na tela at polymer composite membrane (AGFA, Zirfon membrane).

1.2 Paraan ng Eksperimentong

1.2.1 Pagsubok sa Paglaban sa Membrane

Ang paglaban ng lamad ay nakuha sa pamamagitan ng pagsubok sa alternating kasalukuyang impedance (EIS) sa pamamagitan ng isang electrochemical workstation (Princeton, Model P4000A). Ang pagsubok ng EIS ay isinasagawa sa isang plexiglass conductivity cell na may isang grapayt plate bilang elektrod at isang elektrod spacing na 1.90cm. Ang pagsubok ay isinasagawa sa temperatura ng silid na may solusyon sa KOH na 30% ng masa bilang electrolyte. Ang lahat ng mga dayapragms ay nababad sa 30% KOH sa loob ng 1 oras bago ang pagsubok. Ang boltahe ng kaguluhan ay nakatakda sa 10mV, ang saklaw ng dalas ay 0.1 ~ 20000.0Hz, at ang halaga ng paglaban na naaayon sa mataas na dalas ay kinuha bilang paglaban ng lamad. Ang bawat sample ng dayapragm ay nasubok nang magkatulad ng 3 beses.

1.2.2 Single Cell Electrolysis

Ang pagganap ng pagsubok ng dayapragm at elektrod ay isinasagawa sa isang solong electrolytic cell na may isang epektibong lugar ng reaksyon na 25cm2. Ang nag -iisang electrolytic cell ay pangunahing binubuo ng isang polytetrafluoroethylene end plate, isang hindi kinakalawang na asero na bipolar plate, isang katod at cathode electrodes, isang dayapragm at isang polytetrafluoroethylene gasket. Ang 30% KOH electrolyte ay preheated sa isang palaging temperatura ng paliguan ng tubig at pagkatapos ay ipinasa sa nag -iisang electrolytic cell sa pamamagitan ng isang peristaltic pump. Ang DC power supply (IT6502D80V/60A/800W) ay nagbigay ng 10A kasalukuyang para sa patuloy na kasalukuyang electrolysis. Sa panahon ng proseso ng electrolysis, ang temperatura sa nag -iisang electrolytic cell ay nagpapatatag sa 80 ℃. Ang isang metro ng paglaban ay ginamit upang masubaybayan ang paglaban ng solong electrolytic cell sa panahon ng patuloy na kasalukuyang electrolysis.

1.2.3 Single Electrolytic Cell Impedance Test

Matapos ang boltahe ng nag -iisang electrolytic cell na pare -pareho ang kasalukuyang pagsubok ng electrolysis ay matatag, ang nag -iisang electrolytic cell ay sumailalim sa pagsubok ng EIS. Ang perturbation kasalukuyang ay nakatakda sa 1.0a, at ang saklaw ng dalas ng pagsubok ay 0.1 ~ 10000.0Hz. Ang impedance RS at singil sa paglilipat ng impedance RCT ng baterya sa ilalim ng mga kondisyon ng pagtatrabaho ay nakuha sa pamamagitan ng pag -angkop ng impedance spectrum.

1.3 Katangian ng istruktura

Ang pag-scan ng mga imahe ng mikroskopyo ng elektron (SEM) ng dayapragm at mga materyales na anode ay nasubok sa isang patlang na paglabas ng patlang na pag-scan ng elektron mikroskopyo (Zeiss-ultra-plus, Zeiss, Germany).

2. Mga Resulta at Talakayan

2.1 Characterization at Pagsusuri ng iba't ibang mga diaphragms

Ang dayapragm sa electrolyzer ay naghihiwalay sa anode at cathode plate upang maiwasan ang mga maikling circuit at ibukod ang paghahalo ng hydrogen at oxygen. Ang kapal nito, hydrophilicity, porosity at laki ng butas ay malapit na nauugnay sa pagganap ng electrolysis at mayroon ding mahalagang impluwensya sa kadalisayan ng hydrogen.

Ang kapal, porosity, air permeability at lamad ng paglaban ng iba't ibang mga diaphragms ay inihahambing sa Talahanayan 1. Tulad ng ipinapakita sa Talahanayan 1, ang kapal ng Zirfon500+, Zirfon500 at PPS na hindi pinagtagpi na mga tela ay humigit-kumulang 500, 500 at 720 μM, ayon sa pagkakabanggit, at ang porosity ng Zirfon500+ at Zirfon500 ay 60% at 55%. Ang air permeability ng dalawang Zirfon membranes ay maihahambing.

Ang ibabaw morphology ng dayapragm ay karagdagang nailalarawan, tulad ng ipinapakita sa Figure 1. Ang lamad ng Zirfon ay binubuo ng isang mesh polyphenylene sulfide na tela, ang ibabaw ng kung saan ay pinahiran ng polysulfone at hindi organikong oxide ZRO2 na tumutulong upang mapagbuti ang hydrophilicity ng lamad. Ang mga resulta ng SEM ay nagpapakita na ang ibabaw ng Zirfon ay may isang hindi regular na istraktura ng butas ng sampu -sampung daan -daang nanometer. Ang PPS na hindi pinagtagpi na tela ay pinagtagpi mula sa mga micron-sized na mga hibla at may mga micron-sized na gaps, na kung saan ay makabuluhang mas malaki kaysa sa lamad ng Zirfon. Makikita na ang Zirfon500+ at Zirfon500 ay may mga pakinabang ng mas payat na kapal, mas mataas na hydrophilicity at mas maliit na laki ng butas.

Ang mga resulta ng pagsubok sa paglaban ng lamad ay nagpapakita na ang ZIRFON500+ ay may pinakamababang paglaban ng lamad (72MΩ), na sinusundan ng ZIRFON500 (283MΩ), at ang paglaban ng lamad ng PPS na hindi pinagtagpi na tela ay ang pinakamalaking (571MΩ). Ang paglaban ng lamad ng Zirfon500+ at Zirfon500 ay 12.6% at 49.6% ng na ang PPS na hindi pinagtagpi na tela, ayon sa pagkakabanggit. Ito ay nauugnay sa payat na kapal ng Zirfon500+ at Zirfon500 diaphragms at ang pinahusay na hydrophilicity ng na -load na inorganic oxide ZRO2.

2.2 Electrolysis ng tubigPagganap ng iba't ibang mga dayapragms

2.2.1 Patuloy na kasalukuyang electrolysis

Tatlong diaphragms ang ginamit para sa alkalina na electrolysis ng tubig, at ang mga resulta ng pagsubok ay ipinapakita sa Figure 2. Sa ilalim ng parehong mga kondisyon ng pagsubok, kapag ang kasalukuyang density ay 0.4A/cm2, ang boltahe ng nag-iisang electrolytic cell ay 2.32V para sa PPS non-woven na tela, 1.98V para sa ZIRFON500, at 1.94V para sa Zirfon500+. Ang paglaban ng nag -iisang electrolytic cells na may iba't ibang mga dayapragms sa ilalim ng mga kondisyon sa pagpapatakbo sa itaas ay sinusukat na 15.92, 9.06, at 8.28MΩ, ayon sa pagkakabanggit. Napag -alaman na ang boltahe ng electrolysis at paglaban ay may pare -pareho na pattern.

Ang impedance ng AC ng mga solong cell na may iba't ibang mga diaphragms ay karagdagang sinisiyasat. Ang pagkakasunud -sunod ng magnitude ay PPS nonwoven tela> Zirfon500> Zirfon500+, na napatunayan ng mga resulta ng paglaban. Ang paglaban o impedance ng solong mga electrolytic cells na may iba't ibang mga diaphragms sa panahon ng electrolysis ay malapit na nauugnay sa paglaban ng lamad. Kasabay nito, ang pagkakasunud -sunod ng magnitude ng impedance ng pag -activate ay ang PPS nonwoven na tela> zirfon500≈zirfon500+. Ang impedance ng pag -activate ay nauugnay sa paglilipat ng singil ng reaksyon ng redox sa panahon ng electrolysis, na nagpapahiwatig na ang lamad ng Zirfon ay may mas mataas na kahusayan sa paglilipat ng singil kaysa sa tela ng PPS nonwoven.

Ang mga electrolytic cells na may tatlong uri ng mga diaphragms ay gumagamit ng parehong materyal na elektrod, ngunit naiiba ang impedance ng pag -activate. Maaaring ito ay dahil ang hydrophilicity ng PPS diaphragm ay mas masahol kaysa sa Zirfon membrane, na nagpapahirap sa mga bula na desorb, sa gayon sinakop ang mga site ng reaksyon ng elektrod, na nagreresulta sa pagbawas sa aktwal na lugar ng reaksyon ng elektrod.

Ang labis na labis na pag-iingat ng nag-iisang electrolytic cell na may Zirfon500 at Zirfon500+ bilang mga diaphragms ay nabawasan ng 14.7% at 16.4% ayon sa pagkakabanggit kumpara sa PPS non-woven diaphragm. Pinagsama sa nakaraang pagkilala at pagsusuri ng istraktura at katangian ng dayapragm, makikita na ang pagbawas sa overpotential ay higit sa lahat dahil sa pagbawas sa kapal ng dayapragm at ang pagpapabuti ng hydrophilicity.

Bilang karagdagan, sa panahon ng pagsubok, natagpuan na ang solusyon ng alkali sa pagitan ng katod at katod ay makabuluhang na-offset kapag ang PPS na hindi pinagtagpi na tela na may isang mas malaking laki ng butas ay ginamit bilang ang dayapragm, habang ang solusyon ng alkali ay walang malinaw na pag-offset kapag ang Zirfon ay ginamit bilang diaphragm, na nagpapahiwatig na ang zirfon bilang isang liaphragm ay maaaring mabawasan ang cross-gas sa pagitan ng katod at cathode, kung saan ay mapapabuti ang gasolina at safety. Ang boltahe ng electrolysis ng mga cell ng electrolytic na may iba't ibang mga diaphragms (0.4a/cm2) ay ipinapakita sa Figure 2. Ang nyquist plot ng mga electrolytic cells na may iba't ibang mga diaphragms (0.4a/cm2) ay ipinapakita sa Larawan 3.

2.2.2 Mga curves ng polariseysyon ng iba't ibang mga dayapragms

Ang boltahe ng electrolysis ng mga cell ng electrolytic na may iba't ibang mga diaphragms sa iba't ibang kasalukuyang mga density ay ipinapakita sa Figure 4.

Kapag ang kasalukuyang density ay 0.2a/cm2, ang mga electrolysis boltahe ng mga electrolytic cells na may PPS nonwoven tela, Zirfon500 at Zirfon500+ diaphragm ay 2.09, 1.84 at 1.80V ayon sa pagkakabanggit pagkatapos maabot ang katatagan. Kapag ang kasalukuyang density ay nagdaragdag sa 0.4A/cm2, ang mga electrolysis boltahe ng mga electrolytic cells na may pps nonwoven na tela, zirfon500 at zirfon500+ diaphragm ay tumaas ng 140mv kumpara sa kasalukuyang density ng 0.2a/cm2, habang ang boltahe ng electrolytic cell na may PPS nonwoven na tela bilang diaphragm na pagtaas ng 230mv. Ang karagdagang pagtaas ng kasalukuyang density sa 0.6a/cm2, natagpuan na ang boltahe ng electrolytic cell na may Zirfon500 at zirfon500+ bilang diaphragm ay nagdaragdag ng 120MV kumpara sa kasalukuyang density ng 0.4A/CM2, na mas mababa sa 180MV ng PPS nonwoven na tela. Sa pangkalahatan, sa pagtaas ng kasalukuyang density, ang sobrang overpotential ng Zirfon500 at Zirfon500+ diaphragms ay karaniwang nagpapakita ng isang linear na pagtaas ng takbo, habang ang labis na labis na PPS na hindi pinagtagpi na tela ay nagdaragdag nang malaki sa mataas na kasalukuyang density, na maaaring nauugnay sa mahinang ibabaw ng hydrophilicity, na nagreresulta sa kawalan ng kakayahan ng mga bula na desorb sa oras. Samakatuwid, ang hydrophilicity ng alkalina na electrolysis diaphragms ay may mahalagang impluwensya sa pagpapabuti ng kasalukuyang kahusayan ng enerhiya ng density at electrolysis.

2.3 Pagganap ng electrolysis ng tubig ng iba't ibang mga materyales sa anode

Ang morpolohiya ng nickel foam at nikel mesh ay nailalarawan, at ang boltahe ng electrolytic cell sa iba't ibang kasalukuyang mga dens (0.4A/cm2) ay ipinapakita sa Figure 5. Ang nickel foam ay may isang interlaced at stacked na istraktura ng pore na may mas maliit na mga pores, habang ang nickel mesh ay may alternating na istraktura na may isang laki ng mesh na halos 250μM.

The nickel foam of different thicknesses was used as the anode electrode, Zirfon500+ was used as the diaphragm, and the alkaline water electrolysis hydrogen production was compared with the nickel mesh as the anode, and its performance is shown in Figure 6. It was found that for the electrolytic cell with the same thickness of 0.50mm anode, when the nickel mesh was used as the anode, the voltage was 1.94V, na mas mababa kaysa sa 1.95V ng nickel foam; Kapag ang nikel mesh ay ginamit bilang anode, ang paglaban ay 8.28MΩ, na mas mababa kaysa sa 11.63MΩ ng nickel foam. Ito ay haka -haka na ito ay dahil ang maliit na istraktura ng butas ng nikel foam ay tumutukoy na ang mga bula ng gas na ginawa kapag ginagamit ito bilang isang elektrod ay mas maliit, at kapag ang boltahe ng electrolysis ay mas mataas, ang kritikal na diameter ng pagbagsak ng bubble ay mas malaki, upang ang bubble ay mananatili sa electrode interface para sa mas mahabang oras, na nagreresulta sa pagtaas ng pagtutol. Bilang karagdagan, mas makapal ang nikel foam, mas mababa ang boltahe ng electrolysis. Kapag ang kapal ng nikel foam ay bumababa mula sa 0.50 mm hanggang 0.15 mm, ang pagtaas ng boltahe ng electrolysis mula sa 1.95 V hanggang 1.97 V, at ang pagtaas ng paglaban mula sa 11.63MΩ hanggang 14.97MΩ. Pinagsama sa pagsusuri ng istruktura ng morphological nito, makikita na ang dahilan ay ang mas makapal na nikel foam, mas malaki ang mga pores, at mas malaki ang lugar ng elektrod na ibinibigay nito.

3. Konklusyon

Ang papel na ito ay nag -aaral ng mga epekto ng iba't ibang mga dayapragms sa pagganap ng electrolysis ng tubig sa pamamagitan ng pagsasama ng kanilang mga istraktura at katangian. Napag-alaman na ang mga polymer composite diaphragms ay maaaring makamit ang mas mababang mga overpotentials para sa electrolysis ng tubig kaysa sa mga polymer na hindi pinagtagpi na tela dahil sa kanilang mas mababang paglaban ng lamad at mas mahusay na hydrophilicity.

Bilang karagdagan, sa pamamagitan ng pagsusuri sa mga epekto ng iba't ibang mga materyales ng anode electrode sa pagganap ng electrolysis, natagpuan na ang nikel mesh ay maaaring makamit ang mas mababang mga overpotential para sa electrolysis kaysa sa nickel foam, na nauugnay sa mas mababang pagtutol nito. Sa alkalina na electrolysis ng tubig, ang mga dayapragms at electrodes ay mga pangunahing materyales na nakakaapekto sa mga overpotentials. Ang pag -optimize ng dayapragm at mga materyales sa elektrod ay may malaking kabuluhan sa pagbabawas ng mga overpotentials para sa electrolysis ng tubig.