Wat is waterstofproductie uit zeewater? Waarom zoveel aandacht? Wat zijn de technische moeilijkheden?

Waarom heeft het succes van de pilottest van waterstofproductie door directe elektrolyse van zeewater zoveel aandacht getrokken? Hoe moeilijk is dat? Wat zijn de technische problemen die moeten worden overwonnen om waterstof te produceren door middel van zeewaterelektrolyse?

01

Waterstofproductie uit zeewater

Waterstofproductie door waterelektrolyse wordt beschouwd als een zeer belangrijke groene waterstofbereidingstechnologie. Momenteel gebruikt de gecommercialiseerde waterelektrolysetechnologie zoet water als elektrolyt. Zoals we allemaal weten zijn de mondiale zoetwatervoorraden uiterst beperkt, nu de grootschalige toepassing van hydro-elektriciteit voor de productie van waterstof het tekort aan zoetwatervoorraden ongetwijfeld verergert. Zeewater is daarentegen rijk aan hulpbronnen, wat aanleiding geeft tot het idee van "waterstofproductie uit zeewater".

In tegenstelling tot zoet water, dat 96,5 procent van het totale watervolume op aarde uitmaakt, heeft zeewater een complexe samenstelling waarbij meer dan 90 chemicaliën en elementen betrokken zijn. Een groot aantal ionen, micro-organismen en deeltjes in zeewater kan leiden tot problemen zoals nevenreactieconcurrentie, inactivering van de katalysator en verstopping van het diafragma tijdens de waterstofproductie.

Daartoe heeft de waterstofproductietechnologie met gebruik van zeewater als grondstof twee verschillende routes gevormd. Ten eerste vindt de directe productie van waterstof uit zeewater, dat wil zeggen op basis van natuurlijk zeewater, voornamelijk plaats door middel van elektrolyse of fotolyse. Ten tweede is de indirecte waterstofproductie van zeewater bedoeld om zeewater te ontzilten en onzuiverheden te verwijderen, zeewater eerst te ontzilten om zeer zuiver zoet water te vormen en vervolgens waterstof te produceren.

02

Twee grote voordelen

Offshore waterstofproductieplatforms kunnen worden gebruikt als langetermijnopslag van energie of productielocaties voor fijnchemicaliën, waardoor groene energie nauw kan worden geïntegreerd met chemische productiesystemen.

Het offshore waterstofproductieplatform kan het probleem van het verbruik van verreikende mariene hernieuwbare elektriciteit oplossen, en het gebruik van hernieuwbare elektriciteit om ter plekke waterstof en groene ammoniak te produceren kan de belangrijkste toepassingsmethode worden van verreikende mariene hernieuwbare energie in de toekomst. toekomst.

03

Technische moeilijkheid

Technische moeilijkheid 1: Veel onzuiverheden in zeewater beïnvloeden het optreden van kathodewaterstofontwikkeling

In het proces van elektrolytisch water wordt H2 uit de kathode neergeslagen. Voor de kathode-waterstofontwikkelingsreactie is het meest uitdagende probleem dat er verschillende opgeloste kationen in natuurlijk zeewater zitten, zoals Na+, Mg2+, Ca2+, enz., daarnaast, er zijn verschillende bacteriën, micro-organismen en kleine deeltjes.

Deze onzuiverheden zullen de elektrode verstoppen naarmate de elektrolyse van zeewater vordert, en vervolgens de veroudering van de elektrode/katalysator in het elektrolytische systeem vergiftigen of versnellen, wat resulteert in een slechte duurzaamheid.

Technische moeilijkheid 2: chloride-ionen veroorzaken anodische corrosie en beïnvloeden de anodische zuurstofontwikkelingsreactie

Tijdens het elektrolyseproces van water wordt meestal O2 uit de anode neergeslagen. De aanwezigheid van een groot aantal chloride-ionen (Cl-) in zeewater zal echter ernstige corrosie van het anodemateriaal veroorzaken, wat zal leiden tot schade aan de elektrode en hoge spanning, waardoor de efficiënte zuurstofontwikkelingsreactie wordt beëindigd. Bovendien zal de hoge concentratie chloride-ionen ook optreden bij de chlooroxidatiereactie van de anode, waarbij de actieve plaats van de katalysator wordt bezet, waardoor de efficiëntie van de zuurstofontwikkelingsreactie van de anode wordt verminderd.

Technische moeilijkheid 3: Competitie tussen anodische zuurstofontwikkelingsreactie en zuurstofchloreringsreactie

Tijdens het proces van zeewaterelektrolyse zal de anode twee reacties ondergaan, namelijk: zuurstofontwikkelingsreactie (OER) en zuurstofchloreringsreactie (ClOR). Reactie op zuurstofontwikkeling: 4OH- →O2+H2O+4e-; E0=1,23V (vs. RHE)

Chlooroxidatiereactie: Cl-+2OH- →OCl-+H2O+2e-; E0=1,71V (vs. RHE)

Het is duidelijk dat de E0 van de twee vergelijkbaar is, wat een concurrentierelatie zal opleveren, die de werkspanning van de elektrolyseur aanzienlijk beperkt. Bovendien zijn zowel de ClOR-reactie als de hypochlorietvorming twee-elektronenreacties, en is de ClOR-reactie gemakkelijker kinetisch uit te voeren dan de OER-vier-elektronenreactie, dus wordt doorgaans waargenomen dat de OER-overpotentiaal hoger is dan die van ClOR.

04

Onderzoeksstatus

Momenteel bevindt de waterstofproductie uit zeewater zich nog in de beginfase van onderzoek en testen en wordt er nog steeds met veel uitdagingen geconfronteerd, maar het onderzoek en de ontwikkeling van waterstofproductie uit zeewaterelektrolyse heeft enige vooruitgang geboekt. In 2022 maakte het team van academicus Xie Heping een grote originele doorbraak op het gebied van directe waterstofproductie uit zeewater, en ontwikkelde het op innovatieve wijze een nieuw principe en nieuwe technologie voor directe waterstofproductie uit zeewater zonder ontzilting, aangedreven door faseovergang en migratie. Er zijn veel demonstratieprojecten voor de productie van zeewaterwaterstof in binnen- en buitenland, maar het zijn nog steeds kleinschalige pilots, en de meeste ervan zijn in aanbouw of worden voorgesteld.

Hoewel de waterstofproductie door middel van zeewaterelektrolyse nog een lange weg te gaan heeft, van kleine pilottests tot de uiteindelijke industriële brede toepassing. Wij zijn echter van mening dat als deze technologie uiteindelijk wordt toegepast op het miljardenniveau van waterstofenergie, dit de diepste inkt zal achterlaten op de weg van het "koolstofarm maken"!