Электролиз воды — использование электричества для расщепления воды на кислород (O ₂ ) и водород (H ₂ ) путем электролиза . Выделяющийся таким образом газообразный водород можно использовать в качестве водородного топлива , но его следует хранить отдельно от кислорода, поскольку их смесь ( гремучий газ ) будет чрезвычайно взрывоопасной.

Источник питания постоянного тока подключается к двум электродам (обычно сделанным из инертного металла , таких как платина или иридий ), помещенных в воду. В процессе электрохимического разложения воды на катоде (где электроны попадают в воду) появляется водород, а на аноде — кислород . Предполагая идеальную фарадеевскую эффективность , количество генерируемого водорода вдвое превышает количество кислорода, и оба они пропорциональны общему электрическому заряду, проводимому раствором (перевод не точен, см. оригинал на англ) . Однако во многих ячейках происходят конкурирующие побочные реакции , приводящие к дополнительным продуктам и далеко не идеальной фарадеевской эффективности.

Электролиз чистой воды требует избыточную энергию в виде перенапряжения для преодоления различных активационных барьеров. Без избыточной энергии электролиз происходит очень медленно или вообще не происходит. Отчасти это связано с ограниченной самоионизацией воды. Чистая вода имеет электрическую проводимость примерно в миллион раз меньше, чем у морской воды. Во многих электролитических ячейках отсутствуют необходимые электрокатализаторы. Эффективность повышается за счет добавления электролита (например, соли , кислоты или основания ) и электрокатализаторов.

Полимерная электролитная мембрана

Электролизер с протонообменной мембраной разделяет реагенты и транспортирует протоны, блокируя прямой электронный путь через мембрану. В топливных элементах PEM используется твердая полимерная мембрана (тонкая пластиковая пленка), которая проницаема для протонов при насыщении её водой, но не проводит электроны.

В нём используется протонообменная мембрана или полимерно-электролитная мембрана (ПЭМ), которая представляет собой полупроницаемую мембрану , обычно изготавливаемую из иономеров и предназначенную для проведения протонов , действуя в качестве электронного изолятора и реагентного барьера, например, для кислорода и газообразного водорода . Протонообменные мембраны в первую очередь характеризуются протонной проводимостью (σ), проницаемостью для метанола ( P ) и термической стабильностью .

PEM могут быть изготовлены либо из чистого полимера , либо из композитных мембран, где другие материалы встроены в полимерную матрицу. Одним из наиболее распространенных коммерчески доступных материалов является фторполимер (PFSA) Нафион . Нафион представляет собой иономер с перфторированной основой, подобной тефлону . Многие другие структурные мотивы используются для изготовления иономеров для протонообменных мембран. Многие используют полиароматические полимеры, в то время как другие используют частично фторированные полимеры.

Сверхкритическая вода

Электролиз сверхкритической воды (SWE) использует воду в сверхкритическом состоянии. Сверхкритическая вода требует меньше энергии, что снижает затраты. Работает при температуре воды выше 375 °C и давлении более 22,1 МПа (221 бар), что снижает термодинамические барьеры и увеличивает кинетику электрохимического разложения, улучшая ионную проводимость по сравнению с жидкой или газообразной водой, что снижает омические потери . Преимущества включают повышенный КПД электрической цепи, подачу газообразных продуктов под давлением более 22,1 МПа (221 бар), способность работать при высокой плотности тока и низкую зависимость от катализаторов из драгоценных металлов . По состоянию на 2021 год коммерческое оборудование SWE недоступно .

Никелевые и железные катализаторы

В 2014 году исследователи объявили об электролизе с использованием никелевых и железных катализаторов, а не драгоценных металлов . Структура Ni - Me / NiO более активна, чем металлический никель или оксид никеля по отдельности. Катализатор значительно снижает требуемое напряжение . Никель-железные батареи исследуются для использования в качестве комбинированных батарей и электролизеров. Эти «баттолизеры» можно было заряжать и разряжать как обычные батареи, и при полной зарядке они производили водород .

Электрохимические ячейки с нанозазором

В 2017 году исследователи сообщили об электрохимических элементах с нанозазором, которые обеспечили высокоэффективный электролиз чистой воды без электролита при температуре окружающей среды. В этих ячейках два электрода расположены так близко друг к другу (меньше длины Дебая ), что скорость массопереноса может быть выше, чем скорость переноса электронов, что приводит к двум связанным вместе полуреакциям и ограничивается шагом переноса электронов. Эксперименты показывают, что плотность электрического тока может быть больше, чем от 1 моль/л раствора гидроксида натрия. Его «виртуальный механизм пробоя» полностью отличается от традиционной электрохимической теории из-за таких эффектов размера нанощели .

Капиллярная подача

Утверждается, что для электролизера с капиллярным питанием требуется всего 41,5 кВтч для производства 1 кг водорода. Водный электролит изолирован от электродов пористым гидрофильным сепаратором. Вода втягивается в электролизер за счет капиллярного действия, а электролизованные газы выходят с обеих сторон. Он расширяет технологию полимерных электролитных мембран, устраняя пузырьки, которые уменьшают контакт между электродами и электролитом, снижая эффективность. Утверждается, что конструкция работает с КПД 98 %. В конструкции отсутствует циркуляция воды, баки-сепараторы и другие механизмы, а охлаждение может быть воздушным или радиационным .

Примечания