Hva er hydrogenproduksjon fra sjøvann? Hvorfor så mye oppmerksomhet? Hva er de tekniske vanskelighetene?

Hvorfor har suksessen med pilottesten av hydrogenproduksjon ved direkte elektrolyse av sjøvann tiltrukket seg så mye oppmerksomhet? Hvor vanskelig er det? Hva er de tekniske vanskelighetene som må overvinnes for å produsere hydrogen ved elektrolyse av sjøvann?

01

Hydrogenproduksjon fra sjøvann

Hydrogenproduksjon ved vannelektrolyse anses å være en svært viktig grønn hydrogenprepareringsteknologi. For tiden bruker den kommersialiserte vannelektrolyseteknologien ferskvann som elektrolytt. Som vi alle vet, er de globale ferskvannsressursene ekstremt begrensede, med storskala bruk av vannkraft for å produsere hydrogen, noe som utvilsomt forverrer mangelen på ferskvannsressurser. Derimot er sjøvann rikt på ressurser, noe som gir opphav til ideen om «produksjon av sjøvannshydrogen».

I motsetning til ferskvann, som utgjør 96,5 prosent av jordens totale vannvolum, har sjøvann en kompleks sammensetning som involverer mer enn 90 kjemikalier og elementer. Et stort antall ioner, mikroorganismer og partikler inneholdt i sjøvann kan føre til problemer som sidereaksjonskonkurranse, katalysatorinaktivering og diafragmablokkering under hydrogenproduksjon.

For dette formål har hydrogenproduksjonsteknologi ved bruk av sjøvann som råstoff dannet to forskjellige ruter. For det første produseres direkte produksjon av hydrogen fra sjøvann, det vil si basert på naturlig sjøvann, hovedsakelig ved elektrolyse eller fotolyse. For det andre er indirekte hydrogenproduksjon av sjøvann å avsalte og fjerne urenheter fra sjøvann, avsalte sjøvann for å danne høyrent ferskvann først, og deretter produsere hydrogen.

02

To store fordeler

Offshore hydrogenproduksjonsplattformer kan brukes som langtidslagring av energi eller produksjonssteder for finkjemikalier, slik at grønn energi kan integreres tett med kjemiske produksjonssystemer.

Hydrogenproduksjonsplattformen til havs kan løse problemet med forbruk av vidtrekkende marin fornybar elektrisitet, og bruk av fornybar elektrisitet for å produsere hydrogen og grønn ammoniakk på stedet kan bli den viktigste anvendelsesmetoden for vidtrekkende marin fornybar energi i framtid.

03

Tekniske vanskeligheter

Teknisk vanskelighet 1: Mange urenheter i sjøvann påvirker forekomsten av katodehydrogenutvikling

I prosessen med elektrolytisk vann utfelles H2 fra katoden, for katodehydrogenutviklingsreaksjonen er det mest utfordrende problemet at det er forskjellige oppløste kationer i naturlig sjøvann, som Na+, Mg2+, Ca2+, etc., i tillegg, det finnes en rekke bakterier, mikroorganismer og bittesmå partikler.

Disse urenhetene vil tette til elektroden med fremdriften av sjøvannelektrolyse, og deretter forgifte eller akselerere aldring av elektroden/katalysatoren i det elektrolytiske systemet, noe som resulterer i dårlig holdbarhet.

Teknisk vanskelighet 2: Kloridioner forårsaker anodisk korrosjon og påvirker den anodiske oksygenutviklingsreaksjonen

I prosessen med elektrolyse av vann blir O2 vanligvis utfelt fra anoden. Tilstedeværelsen av et stort antall kloridioner (Cl-) i sjøvann vil imidlertid forårsake alvorlig korrosjon av anodematerialet, noe som vil føre til elektrodeskade og høy spenning, og dermed avslutte den effektive oksygenutviklingsreaksjonen. I tillegg vil den høye konsentrasjonen av kloridioner også forekomme i anodekloroksidasjonsreaksjonen, og okkupere det aktive stedet for katalysatoren, og derved redusere effektiviteten til anodeoksygenutviklingsreaksjonen.

Teknisk vanskelighetsgrad 3: Konkurranse mellom anodisk oksygenutviklingsreaksjon og oksygenkloreringsreaksjon

In the process of seawater electrolysis, the anode will undergo two reactions, namely: oxygen evolution reaction (OER) and oxygen chlorination reaction (ClOR). Oxygen evolution reaction: 4OH-→O2+H2O+4e-; E0=1.23V (vs. RHE)

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

Det kan sees at E0 av de to er lik, noe som vil produsere et konkurranseforhold, som i stor grad begrenser arbeidsspenningen til elektrolysatoren. I tillegg er både ClOR-reaksjonen og hypoklorittdannelsen to-elektronreaksjoner, og ClOR-reaksjonen er lettere å utføre kinetisk enn OER-fire-elektronreaksjonen, så OER-overpotensialet observeres vanligvis å være høyere enn ClOR.

04

Forskningsstatus

For tiden er hydrogenproduksjon fra sjøvann fortsatt i tidlig fase av forskning og testing, og står fortsatt overfor mange utfordringer, men forskning og utvikling av hydrogenproduksjon fra sjøvannelektrolyse har gjort noen fremskritt. I 2022 gjorde akademiker Xie Hepings team et stort originalt gjennombrudd innen direkte hydrogenproduksjon fra sjøvann, og etablerte innovativt et nytt prinsipp og teknologi for direkte hydrogenproduksjon fra sjøvann uten avsalting drevet av faseovergang og migrasjon. Det er mange demonstrasjonsprosjekter for produksjon av sjøvannshydrogen i inn- og utland, men de er fortsatt småskala piloter, og de fleste av dem er under bygging eller foreslått.

Selv om hydrogenproduksjon ved elektrolyse av sjøvann har en lang vei å gå fra små og pilottester til den endelige industrielle anvendelsen. Imidlertid tror vi at i trillion-nivå sporet av hydrogenenergi, hvis denne teknologien til slutt blir brukt, vil den etterlate det mest dyptgripende blekket på veien til "dekarbonisering"!