Kaj je proizvodnja vodika iz morske vode? Zakaj toliko pozornosti? Kakšne so tehnične težave?

Zakaj je uspeh pilotnega preizkusa proizvodnje vodika z direktno elektrolizo morske vode pritegnil toliko pozornosti? Kako težko je to? Kakšne so tehnične težave, ki jih je treba premagati za proizvodnjo vodika z elektrolizo morske vode?

01

Proizvodnja vodika iz morske vode

Proizvodnja vodika z elektrolizo vode velja za zelo pomembno tehnologijo priprave zelenega vodika. Trenutno komercializirana tehnologija elektrolize vode kot elektrolit uporablja svežo vodo. Kot vsi vemo, so svetovni viri sladke vode izjemno omejeni, z obsežno uporabo hidroelektrične energije za proizvodnjo vodika, kar nedvomno povečuje pomanjkanje virov sladke vode. Nasprotno pa je morska voda bogata z viri, kar daje povod za idejo o "proizvodnji vodika iz morske vode".

Za razliko od sladke vode, ki predstavlja 96,5 odstotka celotne količine vode na Zemlji, ima morska voda kompleksno sestavo, ki vključuje več kot 90 kemikalij in elementov. Veliko število ionov, mikroorganizmov in delcev v morski vodi lahko povzroči težave, kot so konkurenca stranskih reakcij, inaktivacija katalizatorja in blokada diafragme med proizvodnjo vodika.

V ta namen je tehnologija proizvodnje vodika, ki uporablja morsko vodo kot surovino, oblikovala dve različni poti. Prvič, neposredna proizvodnja vodika iz morske vode, to je na osnovi naravne morske vode, se večinoma proizvaja z elektrolizo ali fotolizo. Drugič, posredna proizvodnja vodika iz morske vode je razsoljevanje in odstranjevanje nečistoč iz morske vode, razsoljevanje morske vode, da najprej nastane sladka voda visoke čistosti, nato pa proizvodnja vodika.

02

Dve glavni prednosti

Platforme za proizvodnjo vodika na morju se lahko uporabljajo kot dolgoročna skladišča energije ali proizvodna mesta za fine kemikalije, kar omogoča tesno integracijo zelene energije s sistemi kemične proizvodnje.

Platforma za proizvodnjo vodika na morju lahko reši problem porabe daljnosežne morske obnovljive električne energije, uporaba obnovljive električne energije za proizvodnjo vodika in zelenega amoniaka na kraju samem pa lahko postane glavna metoda uporabe daljnosežne morske obnovljive energije v prihodnost.

03

Tehnične težave

Tehnična težava 1: Številne nečistoče v morski vodi vplivajo na pojav katodnega sproščanja vodika

V procesu elektrolitske vode se H2 izloča iz katode, za katodno reakcijo razvijanja vodika je najzahtevnejši problem, da so v naravni morski vodi raztopljeni različni kationi, kot so Na+, Mg2+, Ca2+ itd. obstajajo različne bakterije, mikroorganizmi in drobni delci.

Te nečistoče bodo z napredovanjem elektrolize morske vode zamašile elektrodo in nato zastrupile ali pospešile staranje elektrode/katalizatorja v elektrolitskem sistemu, kar bo povzročilo slabo vzdržljivost.

Tehnična težava 2: kloridni ioni povzročajo anodno korozijo in vplivajo na anodno reakcijo sproščanja kisika

V procesu elektrolize vode se O2 običajno izloča iz anode. Vendar pa bo prisotnost velikega števila kloridnih ionov (Cl-) v morski vodi povzročila resno korozijo materiala anode, kar bo povzročilo poškodbe elektrode in visoko napetost ter tako končalo učinkovito reakcijo sproščanja kisika. Poleg tega se bo v reakciji oksidacije klora na anodi pojavila tudi visoka koncentracija kloridnih ionov, ki bodo zavzeli aktivno mesto katalizatorja in s tem zmanjšali učinkovitost reakcije sproščanja kisika na anodi.

Tehnična težava 3: Tekmovanje med reakcijo anodnega sproščanja kisika in reakcijo kloriranja kisika

V procesu elektrolize morske vode bo anoda podvržena dvema reakcijama, in sicer: reakciji sproščanja kisika (OER) in reakciji kloriranja kisika (ClOR). Reakcija sproščanja kisika: 4OH-→O2+H2O+4e-; E0=1,23 V (v primerjavi z RHE)

Reakcija oksidacije klora: Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e-; E0=1,71 V (v primerjavi z RHE)

Vidimo lahko, da je E0 obeh podoben, kar bo povzročilo konkurenčno razmerje, ki močno omejuje delovno napetost elektrolizerja. Poleg tega sta tako reakcija ClOR kot tvorba hipoklorita reakciji z dvema elektronoma, reakcijo ClOR pa je kinetično lažje izvesti kot reakcijo s štirimi elektroni OER, zato se običajno opazi, da je prepotencial OER višji kot pri ClOR.

04

Status raziskave

Trenutno je proizvodnja vodika iz morske vode še vedno v zgodnji fazi raziskav in testiranja ter se še vedno sooča s številnimi izzivi, vendar sta raziskava in razvoj proizvodnje vodika iz elektrolize morske vode nekoliko napredovala. Leta 2022 je ekipa akademika Xie Hepinga naredila velik izvirni preboj na področju neposredne proizvodnje vodika iz morske vode in inovativno vzpostavila nov princip in tehnologijo neposredne proizvodnje vodika iz morske vode brez razsoljevanja, ki ga poganjata fazni prehod in migracija. Obstaja veliko demonstracijskih projektov proizvodnje vodika iz morske vode doma in v tujini, vendar so še vedno piloti majhnega obsega in večina jih je v izgradnji ali predlaganih.

Čeprav ima proizvodnja vodika z elektrolizo morske vode dolgo pot od majhnih in pilotnih testov do končne široke industrijske uporabe. Vendar pa verjamemo, da bo na bilijonski ravni vodikove energije, če bo ta tehnologija sčasoma uporabljena, pustila najgloblje črnilo na poti "dekarbonizacije"!