تولید هیدروژن از الکترولیز آب

تولید هیدروژن از آب

انرژی و محیط زیست از ضروریات توسعه پایدار اقتصادی و اجتماعی جهان هستند. جهان همواره به دنبال جایگزین‌کردن سوخت های فسیلی با حامل‌های پاک و تجدیدپذیر انرژی بوده است. از جمله موارد در حال پیشرفت در زمینه انرژی پاک بکارگیری خودروهای برقی و انرژی تجدیدپذیر هستند. لذا، سرمایه‌گذاری در انرژی پاک در حال افزایش است .

طبیعت منابع مختلفی از انرژی تجدیدپذیر (مانند خورشید، باد، جزرومد آب دریا، آب‌های جاری، و زیست توده، دمای اقیانوس‌ها) را پیش رو قرار می‌دهد. با این حال، این منابع به دلیل عوامل منطقه‌ای یا فصلی متناوب بوده و همیشه در دسترس نیستند. در نتیجه، یک سامانه کارآمد برای تبدیل، ذخیره و باز مصرف انرژی در مقیاس بزرگ در ارتباط با منابع انرژی تجدیدپذیر مورد نیاز است.

این نیاز مشوق اصلی برای نوآوری‌های متعدد در این زمینه می‌باشد و لذا یک راه حل مورد نیاز است.در این راستا تبدیل این انرژی‌ها به انرژی الکتریکی و سپس الکترولیز آب و تولید (H₂) به عنوان سوخت تمیز راهکار مناسبی می‌باشد.

تولید هیدروژن سبز

 سامانه‌هایی مانند تولید هیدروژن (H₂) به طریق تفکیک الکتروشیمیائی آب، سل‌های سوختی تبدیل هیدروژن به الکتریسیته، و باتری‌های لیتیوم-یون یا فلز-هوا برای ذخیره انرژی در دهه‌های اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. تولید هیدروژن از طریق الکتروشیمیائی آب یک راه حل امیدوارکننده برای تبدیل مقدار زیادی از انرژی الکتریکی بالقوۀ منابع تجدیدپذیر انرژی به یک سوخت پاک است.

ویژگی های گاز هیدروژن

• هیدروژن به عنوان یک حامل انرژی پاک، بالاترین چگالی انرژی (انرژی بر واحد وزن) را دارد.
• هنگامی که به عنوان سوخت در یک سل سوختی هیدروژنی برای تولید الکتریسیته استفاده می‌شود، دارای راندمان بالایی در تبدیل انرژی است،
• از آن‌جایی که محصول فرعی آن آب می‌باشد، فاقد آلودگی نیز هست.

کاربرد گاز هیدروژن

گاز هیدروژن با خلوص بالا کاربردهای مهم دیگری هم دارد که شامل:

• هیدروژن‌دارکردن روغن‌ها،
• تولید داروها،
• تهیه مواد افزودنی مجاز به خوراکی‌ها‌،
• خنک کننده ژنراتورها در نیروگاه‌های برق،
• استفاده در سوخت موشک و صنایع هوا فضا،
• استفاده در صنایع شیمیایی، مخابرات، خودروسازی،
• شناسایی نشتی‌های ریز در نیروگاه‌ها (در ترکیب با نیتروژن)،

علاوه براین، با خلوص پائین‌تر جهت فرآیندهای:

• تولید آمونیاک،
• هیدرودآلکیلاسیون،
• هیدرودسولفوریزاسیون،
• و کراکینگ

مورد استفاده قرار می‌گیرد.

بهترین فلز برای تولید هیدروژن

در حال حاضر بزرگترین چالش تولید هیدروژن به روش الکتروشیمیائی، توسعه الکتروکاتالیست‌های مقرون به صرفه، فعّال، و پایدار می‌باشد.

فلزات نجیب (پلاتین، ایریدیوم، روتینیوم، رودیوم، و پالادیوم)، بخصوص پلاتین، به دلیل:

• چگالی جریان تبادل بالا،
• بازده فارادی تقریباً کامل

الکتروکاتالیستهایِ:

• کارآمد،
• فعّال،
• و پایداری

برای واکنش تولید هیدروژن می‌باشند.

اما به علت:

• کمیاب بودن
• و قیمت بالای الکترودهای مبتنی براین فلزات،

تولید هیدروژن به طریق الکتروشیمی مقرون به صرفه نیست.

در این راستا تلاش‌های زیادی برای جایگزین کردن کاتالیست‌های مناسب مبتنی بر سایر فلزات، به خصوص فلزات واسطه‌ای ردیف اول ، نظیر نیکل صورت گرفته است. نیکل از نظر فیزیکی و شیمیایی دارای پایداری بسیار خوبی است، اما فعالیت متوسط دارد.

لذا اصلاحاتی به کمک مقادیر ناچیز از عناصر غیر فلزی (نظیر Se ، S، ، N ، B ،P ] بر روی نیکل صورت گرفته است. اگر چه این تغییرات تا حد زیادی موفق بوده، و فعّالیت را بهبود بخشیده است، اما کاتالیست‌های حاصله در بسیاری از موارد از نظر فیزیکی ناپایدار شده‌اند.

هزینه تولید هیدروژن از الکترولیز آب

تقریبا تمام مطالعات بنیادی HER با استفاده از محلول  KOHو یا NaOH با خلوص بالا و آب یون‌‌زدائی‌‌شده انجام شده است. از آن‌جا که به کارگیری این روش جهت تولید H₂ در مقیاس زیاد نیازمند استفاده از مقادیر معتنابهی آب با خلوص بالا می‌باشد، هزینه تولید هیدروژن از الکترولیز آب را افزایش می‌دهد و استقرار نیروگاه‌های الکترولیز آب را محدود به مناطق خاصّی می‌کند.

هیدروژن به دست آمده از الکترولیز آب گران است و هزینه آن عمدتاً به پتانسیل اعمال شده در کاتد برای غلبه بر پتانسیل بالای واکنش تکامل هیدروژن (HER) بستگی دارد.

حالت مطلوب آن است که بتوان مستقیماً یا با تصفیه مقدماتی و ساده، از منابع آب طبیعی (مانند آب دریا و یا آب‌های جاری) به کمک الکترولیز، H₂ تولید کرد. گونه‌های شیمیایی متعددی در آب دریا و آب‌های جاری وجود دارند که چالش‌های مهمی را در برابر گزینش پذیری و پایداری طولانی‌مدت الکترودهای مورد استفاده در الکترولیز آب ایجاد می‌کنند .

الکترولیز چیست

الکترولیز فرآیندی است که شامل استفاده از پتانسیواستات یا گالوانوستات برای عبور جریان الکتریکی از طریق یک سلول الکتروشیمیایی برای ایجاد یک واکنش الکتروشیمیایی غیر خود به خودی است. سلول الکتروشیمیایی حاوی یک الکترولیت (یعنی حلالی با یون ها) است که در واکنش الکتروشیمیایی شرکت می کند. یک یا چند مورد از این اجزا ممکن است تحت الکترولیز قرار گیرند.

الکترولیز می تواند شامل دو یا سه الکترود باشد.

1. فرآیند دو الکترودی شامل یک آند و یک کاتد است که به ترتیب اکسیداسیون و احیا در آن انجام می شود. در حالی که در اصل ساده تر است، راه اندازی دو الکترود دقت و کنترل را قربانی می کند.
2. یک فرآیند سه الکترودی شامل یک آند، کاتد و الکترود مرجع است. افزودن یک الکترود مرجع امکان تعیین دقیق پتانسیل الکترود کار را فراهم می کند و بنابراین کنترل بیشتری بر فرآیند می دهد.

جهت اطلاعات بیشتر درخصوص سل دو و سه الکترودی کلیک کنید.

الکترولیز آب

تولید گاز هیدروژن (H2) از آب نمونه بسیار خوبی از الکترولیز است. در واکنش کلی، دو مولکول آب دو مولکول H2 و یک مولکول O2 تولید می کنند که در زیر نشان داده شده است:

 2H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g)

به یاد داشته باشید، این واکنش کلی است. به طور جداگانه، نیمه واکنش هایی در آند و کاتد رخ می دهد. اینها هستند:

Anode: 2 H₂O(l) → O₂(g) + 4H⁺ (aq) + 4 e-

Cathode: 4 H₂O(l) + 4 e- → 2 H₂(g) + 4 OH-(aq)

همانطور که جهان به سمت افزودن منابع جایگزین انرژی حرکت می کند، هیدروژن می تواند نقش مهمی در اقتصاد انرژی پایدارتر ایفا کند.

تولید هیدروژن از الکترولیز آمونیاک

روش دیگری برای تولید هیدروژن می تواند از الکترولیز آمونیاک باشد.
الکترولیز آمونیاک با تقسیم آمونیاک (NH₃) به H₂ و گاز نیتروژن (N₂) کار می‌کند. واکنش کلی را می توان به صورت زیر نوشت:

 2NH₃(l)→ 3 H₂(g) + N₂(g)

آمونیاک یک ماده اولیه کم هزینه و به راحتی در دسترس است که الکترولیز آمونیاک را به روشی مناسب و کم هزینه برای حمل و نقل و تولید هیدروژن تبدیل می کند. در نهایت، این فرآیند می‌تواند توسط منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی یا باد نیز تامین شود.

الکترولایزر تولید هیدروژن

دستگاه آنالایزر الکتروشیمیایی ‌BHP-2066 شرکت بهپژوه با دقت بالا و محدوده پتانسیل -8 تا +8 ولت می توانند نیازهای یک محقق الکترولیز را برآورده کنند.این دستگاه قادر به انجام انواع تکنیک های ولتامتری و… است. جهت کسب اطلاعات بیشتر در خصوص تکنیک ها و قابلیت های این دستگاه پتانسیواستات/گالوانواستات به صفحه انالایزر الکتروشیمی ‌BHP-2066 مراجعه کنید.

منابع:

Investigation of Poisoning the Electrocatalytic Activity of Ni MOF/ZnO for HER in Alkaline Solutions  Studied by Steady State Potential Polarization Curves and Electrochemical Impedance Spectroscopy

منبع دو