Čo je výroba vodíka z morskej vody? Prečo toľko pozornosti? Aké sú technické ťažkosti?

Prečo úspech pilotného testu výroby vodíka priamou elektrolýzou morskej vody vzbudil takú pozornosť? Aké ťažké je to? Aké sú technické ťažkosti, ktoré je potrebné prekonať pri výrobe vodíka elektrolýzou morskej vody?

01

Výroba vodíka z morskej vody

Výroba vodíka elektrolýzou vody sa považuje za veľmi dôležitú technológiu prípravy zeleného vodíka. V súčasnosti používa komerčná technológia elektrolýzy vody ako elektrolyt sladkú vodu. Ako všetci vieme, globálne zdroje sladkej vody sú extrémne obmedzené, pričom sa vo veľkom využíva vodná elektrina na výrobu vodíka, čo nepochybne zhoršuje nedostatok zdrojov sladkej vody. Naproti tomu morská voda je bohatá na zdroje, čo dáva podnet k myšlienke „výroby morskej vody vodíka“.

Na rozdiel od sladkej vody, ktorá predstavuje 96,5 percenta celkového objemu vody na Zemi, má morská voda zložité zloženie zahŕňajúce viac ako 90 chemikálií a prvkov. Veľké množstvo iónov, mikroorganizmov a častíc obsiahnutých v morskej vode môže viesť k problémom, ako je konkurencia vedľajších reakcií, inaktivácia katalyzátora a upchatie membrány počas výroby vodíka.

Na tento účel technológia výroby vodíka využívajúca ako surovinu morskú vodu vytvorila dve rôzne cesty. Po prvé, priama výroba vodíka z morskej vody, teda na báze prírodnej morskej vody, sa vyrába hlavne elektrolýzou alebo fotolýzou. Po druhé, nepriama výroba vodíka z morskej vody spočíva v odsoľovaní a odstraňovaní nečistôt z morskej vody, odsoľovaní morskej vody, aby sa vytvorila najskôr sladká voda vysokej čistoty, a potom sa vyrába vodík.

02

Dve hlavné výhody

Platformy na výrobu vodíka na mori sa môžu používať ako dlhodobé úložiská energie alebo výrobné miesta pre čisté chemikálie, čo umožňuje úzku integráciu zelenej energie so systémami chemickej výroby.

Platforma na výrobu vodíka na mori môže vyriešiť problém spotreby ďalekosiahlej morskej obnoviteľnej elektriny a využitie obnoviteľnej elektriny na výrobu vodíka a zeleného amoniaku na mieste sa môže stať hlavnou aplikačnou metódou ďalekosiahlej morskej obnoviteľnej energie v budúcnosti.

03

Technická náročnosť

Technický problém 1: Mnoho nečistôt v morskej vode ovplyvňuje vznik katódového vodíka

V procese elektrolytickej vody sa H2 zráža z katódy, pre katódovú reakciu vývoja vodíka je najnáročnejším problémom to, že v prírodnej morskej vode sú rôzne rozpustené katióny, ako Na+, Mg2+, Ca2+ atď. existujú rôzne baktérie, mikroorganizmy a drobné častice.

Tieto nečistoty upchajú elektródu postupujúcou elektrolýzou morskej vody a následne otrávia alebo urýchlia starnutie elektródy/katalyzátora v elektrolytickom systéme, čo má za následok slabú životnosť.

Technický problém 2: chloridové ióny spôsobujú anodickú koróziu a ovplyvňujú anodickú reakciu vývoja kyslíka

V procese elektrolýzy vody sa O2 zvyčajne vyzráža z anódy. Prítomnosť veľkého počtu chloridových iónov (Cl-) v morskej vode však spôsobí vážnu koróziu materiálu anódy, čo povedie k poškodeniu elektródy a vysokému napätiu, čím sa ukončí účinná reakcia vývoja kyslíka. Okrem toho sa vysoká koncentrácia chloridových iónov objaví aj v anódovej oxidačnej reakcii chlóru, ktorá zaberá aktívne miesto katalyzátora, čím sa znižuje účinnosť reakcie na vývoj anódového kyslíka.

Technický problém 3: Konkurencia medzi reakciou anodického vývoja kyslíka a reakciou chlorácie kyslíka

V procese elektrolýzy morskej vody anóda podstúpi dve reakcie, a to: reakciu vývoja kyslíka (OER) a reakciu chlorácie kyslíka (ClOR). Reakcia vývoja kyslíka: 4OH-→02+H2O+4e-; E0 = 1,23 V (oproti RHE)

Oxidačná reakcia chlóru: Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e-; E0 = 1,71 V (oproti RHE)

Je vidieť, že E0 týchto dvoch je podobné, čo vytvorí konkurenčný vzťah, ktorý značne obmedzí pracovné napätie elektrolyzéra. Okrem toho reakcia ClOR aj tvorba chlórnanu sú dvojelektrónové reakcie a reakcia ClOR sa kineticky ľahšie uskutočňuje ako štvorelektrónová reakcia OER, takže sa zvyčajne pozoruje, že nadmerný potenciál OER je vyšší ako pri ClOR.

04

Stav výskumu

V súčasnosti je výroba vodíka z morskej vody stále v počiatočnom štádiu výskumu a testovania a stále čelí mnohým výzvam, ale výskum a vývoj výroby vodíka z elektrolýzy morskej vody dosiahol určitý pokrok. V roku 2022 tím akademika Xie Hepinga urobil zásadný originálny prelom v oblasti priamej výroby vodíka z morskej vody a inovatívne zaviedol nový princíp a technológiu priamej výroby vodíka z morskej vody bez odsoľovania poháňanú fázovým prechodom a migráciou. Existuje mnoho demonštračných projektov výroby vodíka z morskej vody doma aj v zahraničí, ale stále ide o malé pilotné projekty a väčšina z nich je vo výstavbe alebo navrhovaní.

Hoci výroba vodíka elektrolýzou morskej vody má pred sebou dlhú cestu od malých a pilotných testov ku konečnému širokému priemyselnému použitiu. Veríme však, že na biliónovej úrovni vodíkovej energie, ak sa táto technológia nakoniec použije, zanechá najhlbší atrament na ceste „dekarbonizácie“!