Электролиз воды
 | Необходимо проверить качество перевода c английского языка, исправить содержательные и стилистические ошибки. |
| Электролиз воды | |
|---|---|
 | |
| Сделано из | вода и энергия |
| Продукция | молекулярный кислород[вд] и молекулярный водород[вд] |
 Медиафайлы на Викискладе | |
Электро́лиз воды — реакция расщепления воды на кислород (O2) и водород (H2) под действием электрического тока.
![{\displaystyle {\ce {2H2O ->[{ϟ}] 2H2 + O2}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e250051ce949bf4d298987640b5ad097b0a2d018)
Выделяющийся газообразный водород можно использовать в качестве водородного топлива, но его следует хранить отдельно от кислорода, поскольку их смесь (гремучий газ) чрезвычайно взрывоопасна.
Принцип работы электролизера
[править | править код]Источник питания постоянного тока подключается к двум электродам (обычно сделанным из инертного металла, 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[1]. 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 английской версии)[2]. 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 само-ионизацией воды. Чистая вода имеет электрическую проводимость примерно в миллион раз меньше, чем у морской воды. Во многих электролитических ячейках отсутствуют необходимые электро-катализаторы. Эффективность повышается за счет добавления электролита (например, соли, кислоты или основания) и электро-катализаторов.
Полимерная электролитная мембрана
[править | править код]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[3]. Протонообменные мембраны в первую очередь характеризуются протонной проводимостью (σ), проницаемостью для метанола (P) и термической стабильностью[4].
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)[5] Нафион[6]. Нафион представляет собой иономер с перфторированной основой, подобной тефлону[7]. 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
[править | править код]Электролиз сверхкритической воды (SWE) использует воду в сверхкритическом состоянии. Такая 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[8].
Никелевые и железные катализаторы
[править | править код]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[9][10]. 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[11].
Электрохимические ячейки с нанозазором
[править | править код]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[12].
Капиллярная подача
[править | править код]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[13].
Примечания
[править | править код]- ↑ Zumdahl, Steven S. Chemistry / Steven S. Zumdahl, Susan A. Zumdahl. — 9th. — Cengage Learning, 1 January 2013. — P. 30. — ISBN 978-1-13-361109-7.
- ↑ Carmo, M (2013). A comprehensive review on PEM water electrolysis. Journal of Hydrogen Energy. 38 (12): 4901–4934. doi:10.1016/j.ijhydene.2013.01.151.
- ↑ Group, SAE Media. Alternative Electrochemical Systems for Ozonation of Water (англ.). www.techbriefs.com (1 июля 2003). Дата обращения: 22 октября 2023. Архивировано 12 ноября 2023 года.
- ↑ Nakhiah Goulbourne. Research Topics for Materials and Processes for PEM Fuel Cells REU for 2008. Virginia Polytechnic Institute and State University. Дата обращения: 18 июля 2008. Архивировано из оригинала 27 февраля 2009 года.
- ↑ Zhiwei Yang (2004). Novel inorganic/organic hybrid electrolyte membranes (PDF). Prepr. Pap.-Am. Chem. Soc., Div. Fuel Chem. 49 (2): 599. Архивировано из оригинала (PDF) 28 апреля 2017. Дата обращения: 2021-10-19.
- ↑ Townsend, Carl W. & Naselow, Arthur B., "Enhanced membrane-electrode interface", US patent 5266421, issued 2008-11-30
- ↑ Gabriel Gache. New Proton Exchange Membrane Developed – Nafion promises inexpensive fuel-cells. Softpedia (17 декабря 2007). Дата обращения: 18 июля 2008. Архивировано 23 апреля 2008 года.
- ↑ Supercritical | Developing the world's most efficient electrolyser | England (англ.). Supercritical. Дата обращения: 6 ноября 2021. Архивировано 6 ноября 2021 года.
- ↑ A low-cost water splitter that runs on an ordinary AAA battery. KurzweilAI. 22 августа 2014. Архивировано 16 апреля 2015. Дата обращения: 11 апреля 2015.
- ↑ Gong, Ming (2014). Nanoscale nickel oxide/nickel heterostructures for active hydrogen evolution electrocatalysis. Nature Communications. 5: 4695. Bibcode:2014NatCo...5.4695G. doi:10.1038/ncomms5695. PMID 25146255.
- ↑ Mulder, F. M. (2017). Efficient electricity storage with the battolyser, an integrated Ni-Fe-battery and electrolyser. Energy and Environmental Science. 10 (3): 756–764. doi:10.1039/C6EE02923J. Архивировано 4 сентября 2023. Дата обращения: 13 февраля 2023.
- ↑ Wang, Yifei (2017-07-11). Field-Assisted Splitting of Pure Water Based on Deep-Sub-Debye-Length Nanogap Electrochemical Cells. ACS Nano. 11 (8): 8421–8428. doi:10.1021/acsnano.7b04038. ISSN 1936-0851. PMID 28686412.
- ↑ Blain, Loz. Record-breaking hydrogen electrolyzer claims 95% efficiency (амер. англ.). New Atlas (16 марта 2022). Дата обращения: 25 декабря 2022. Архивировано 25 декабря 2022 года.