Deniz suyundan hidrojen üretimi nedir? Neden bu kadar dikkat? Teknik zorluklar nelerdir?

Deniz suyunun doğrudan elektrolizi yoluyla hidrojen üretimine ilişkin pilot testin başarısı neden bu kadar dikkat çekti? Bu ne kadar zor? Deniz suyu elektrolizi ile hidrojen üretmek için aşılması gereken teknik zorluklar nelerdir?

01

Deniz suyundan hidrojen üretimi

Su elektrolizi yoluyla hidrojen üretimi, çok önemli bir yeşil hidrojen hazırlama teknolojisi olarak kabul edilmektedir. Şu anda ticarileştirilmiş su elektroliz teknolojisi, elektrolit olarak tatlı su kullanıyor. Hepimizin bildiği gibi, küresel tatlı su kaynakları son derece sınırlıdır; hidrojen üretmek için hidroelektriğin büyük ölçekli uygulanması, şüphesiz tatlı su kaynaklarının kıtlığını daha da artırmaktadır. Buna karşılık deniz suyunun kaynak bakımından zengin olması "deniz suyundan hidrojen üretimi" fikrini doğuruyor.

Dünyadaki toplam su hacminin yüzde 96,5'ini oluşturan tatlı suyun aksine, deniz suyu 90'dan fazla kimyasal ve element içeren karmaşık bir bileşime sahiptir. Deniz suyunun içerdiği çok sayıda iyon, mikroorganizma ve parçacık, hidrojen üretimi sırasında yan reaksiyon rekabeti, katalizör inaktivasyonu ve diyafram tıkanması gibi sorunlara yol açabilmektedir.

Bu amaçla deniz suyunu hammadde olarak kullanan hidrojen üretim teknolojisi iki farklı yol oluşturmuştur. Birincisi, deniz suyundan, yani doğal deniz suyuna dayalı doğrudan hidrojen üretimi, esas olarak elektroliz veya fotoliz yoluyla üretilir. İkincisi, deniz suyundan dolaylı hidrojen üretimi, deniz suyundaki yabancı maddeleri tuzdan arındırmak ve çıkarmak, önce yüksek saflıkta tatlı su oluşturmak için deniz suyunu tuzdan arındırmak ve ardından hidrojen üretmektir.

02

İki önemli avantaj

Açık deniz hidrojen üretim platformları, uzun vadeli enerji depolama veya ince kimyasallar için üretim alanları olarak kullanılabilir ve yeşil enerjinin kimyasal üretim sistemleriyle yakından entegre olmasına olanak tanır.

Açık deniz hidrojen üretim platformu, geniş kapsamlı Denizcilik yenilenebilir elektriğinin tüketimi sorununu çözebilir ve yenilenebilir elektriğin yerinde hidrojen ve yeşil amonyak üretmek için kullanılması, geniş kapsamlı Denizcilik yenilenebilir enerjisinin ana uygulama yöntemi haline gelebilir. gelecek.

03

Teknik zorluk

Teknik zorluk 1: Deniz suyundaki birçok yabancı madde katot hidrojen oluşumunun oluşumunu etkiler

Elektrolitik su prosesinde katottan H2 çökeltilir, katot hidrojen oluşum reaksiyonu için en zorlu problem doğal deniz suyunda buna ek olarak Na+, Mg2+, Ca2+ gibi çeşitli çözünmüş katyonların bulunmasıdır. çeşitli bakteri, mikroorganizma ve minik parçacıklar bulunur.

Bu yabancı maddeler, deniz suyu elektrolizinin ilerlemesiyle elektrotu tıkayacak ve daha sonra elektrolitik sistemdeki elektrotun/katalizörün yaşlanmasını zehirleyecek veya hızlandıracak, bu da dayanıklılığın azalmasına neden olacaktır.

Teknik zorluk 2: klorür iyonları anodik korozyona neden olur ve anodik oksijen oluşum reaksiyonunu etkiler

Suyun elektrolizi sürecinde O2 genellikle anottan çökeltilir. Bununla birlikte, deniz suyunda çok sayıda klorür iyonunun (Cl-) bulunması, anot malzemesinin ciddi şekilde korozyona uğramasına neden olacak, bu da elektrot hasarına ve yüksek gerilime yol açacak ve böylece verimli oksijen oluşum reaksiyonu sona erecektir. Ek olarak, anot klor oksidasyon reaksiyonunda yüksek konsantrasyonda klorür iyonları da meydana gelecek ve katalizörün aktif bölgesini işgal ederek anot oksijen oluşumu reaksiyonunun verimliliğini azaltacaktır.

Teknik zorluk 3: Anodik oksijen oluşum reaksiyonu ile oksijen klorlama reaksiyonu arasındaki rekabet

Deniz suyu elektrolizi sürecinde anot iki reaksiyona girecektir: oksijen oluşum reaksiyonu (OER) ve oksijen klorlama reaksiyonu (ClOR). Oksijen evrimi reaksiyonu: 4OH-→O2+H2O+4e-; E0=1,23V (RHE'ye kıyasla)

Klorin oksidasyon reaksiyonu: Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e-; E0=1,71V (RHE'ye kıyasla)

İkisinin E0'ının benzer olduğu görülebilir, bu da elektrolizörün çalışma voltajını büyük ölçüde sınırlayan rekabetçi bir ilişki üretecektir. Ek olarak, hem ClOR reaksiyonu hem de hipoklorit oluşumu iki elektronlu reaksiyonlardır ve ClOR reaksiyonunun kinetik olarak gerçekleştirilmesi OER dört elektronlu reaksiyonundan daha kolaydır, dolayısıyla OER aşırı potansiyelinin genellikle ClOR'unkinden daha yüksek olduğu gözlemlenir.

04

Araştırma durumu

Şu anda, deniz suyundan hidrojen üretimi henüz araştırma ve testlerin erken aşamasındadır ve hala birçok zorlukla karşı karşıyadır, ancak deniz suyu elektrolizinden hidrojen üretiminin araştırılması ve geliştirilmesinde bir miktar ilerleme kaydedilmiştir. 2022 yılında, Akademisyen Xie Heping'in ekibi deniz suyundan doğrudan hidrojen üretimi alanında büyük ve orijinal bir atılım gerçekleştirdi ve faz geçişi ve geçişin neden olduğu tuzdan arındırma olmadan deniz suyundan doğrudan hidrojen üretimine yönelik yeni bir prensip ve teknolojiyi yenilikçi bir şekilde oluşturdu. Yurt içinde ve yurt dışında deniz suyundan hidrojen üretimine ilişkin pek çok tanıtım projesi mevcut ancak bunlar hâlâ küçük ölçekli pilot projeler ve çoğu da yapım aşamasında veya teklif ediliyor.

Deniz suyu elektrolizi yoluyla hidrojen üretiminin küçük ve pilot testlerden nihai endüstriyel geniş uygulamaya kadar kat edilmesi gereken uzun bir yol olmasına rağmen. Ancak hidrojen enerjisinin trilyon düzeyindeki izinde, eğer bu teknoloji eninde sonunda uygulanırsa, "dekarbonizasyon" yolunda en derin mürekkebi bırakacağına inanıyoruz!