Co je výroba vodíku z mořské vody? Proč tolik pozornosti? Jaké jsou technické potíže?

Proč úspěch pilotního testu výroby vodíku přímou elektrolýzou mořské vody vzbudil tolik pozornosti? Jak těžké to je? Jaké technické potíže je třeba překonat, aby se vodík mohl vyrábět elektrolýzou mořské vody?

01

Výroba vodíku z mořské vody

Výroba vodíku elektrolýzou vody je považována za velmi důležitou technologii přípravy zeleného vodíku. V současnosti komerčně využívaná technologie elektrolýzy vody používá jako elektrolyt čerstvou vodu. Jak všichni víme, globální zdroje sladké vody jsou extrémně omezené, přičemž k výrobě vodíku se ve velkém měřítku používá vodní elektřina, což nepochybně zhoršuje nedostatek zdrojů sladké vody. Naproti tomu mořská voda je bohatá na zdroje, což dává vzniknout myšlence „výroby vodíku z mořské vody“.

Na rozdíl od sladké vody, která tvoří 96,5 procenta celkového objemu vody na Zemi, má mořská voda složité složení zahrnující více než 90 chemikálií a prvků. Velké množství iontů, mikroorganismů a částic obsažených v mořské vodě může vést k problémům, jako je konkurence vedlejších reakcí, inaktivace katalyzátoru a zablokování membrány během výroby vodíku.

To this end, hydrogen production technology using seawater as raw materials has formed two different routes. First, the direct production of hydrogen from seawater, that is, based on natural seawater, is mainly produced by electrolysis or photolysis. Second, indirect hydrogen production of seawater is to desalinate and remove impurities from seawater, desalinate seawater to form high-purity fresh water first, and then produce hydrogen.

02

Dvě hlavní výhody

Platformy pro výrobu vodíku na moři lze použít jako dlouhodobé úložiště energie nebo výrobní místa pro čisté chemikálie, což umožňuje úzkou integraci zelené energie se systémy chemické výroby.

Platforma pro výrobu vodíku na moři může vyřešit problém spotřeby dalekosáhlé mořské obnovitelné elektřiny a využití obnovitelné elektřiny k výrobě vodíku a zeleného čpavku na místě se může stát hlavní aplikační metodou dalekosáhlé mořské obnovitelné energie v budoucnost.

03

Technická obtížnost

Technická obtíž 1: Mnoho nečistot v mořské vodě ovlivňuje vznik katodového vodíku

V procesu elektrolytické vody se z katody vysráží H2, pro reakci katodového vývoje vodíku je nejnáročnějším problémem to, že v přírodní mořské vodě jsou různé rozpuštěné kationty, jako Na+, Mg2+, Ca2+ atd. existuje celá řada bakterií, mikroorganismů a drobných částic.

Tyto nečistoty ucpou elektrodu postupem elektrolýzy mořské vody a následně otráví nebo urychlí stárnutí elektrody/katalyzátoru v elektrolytickém systému, což má za následek špatnou životnost.

Technická obtíž 2: chloridové ionty způsobují anodickou korozi a ovlivňují reakci anodického vývoje kyslíku

V procesu elektrolýzy vody se obvykle z anody vysráží O2. Přítomnost velkého množství chloridových iontů (Cl-) v mořské vodě však způsobí vážnou korozi materiálu anody, což povede k poškození elektrody a vysokému napětí, čímž ukončí účinnou reakci uvolňování kyslíku. Navíc k vysoké koncentraci chloridových iontů dojde také v anodové oxidační reakci chloru, která obsadí aktivní místo katalyzátoru, čímž se sníží účinnost reakce na anodový vývoj kyslíku.

Technická obtíž 3: Konkurence mezi reakcí anodického vývoje kyslíku a reakcí chlorace kyslíku

V procesu elektrolýzy mořské vody anoda podstoupí dvě reakce, a to: reakci evoluce kyslíku (OER) a reakci chlorace kyslíku (ClOR). Reakce vývoje kyslíku: 4OH-→O2+H2O+4e-; E0 = 1,23 V (vs. RHE)

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

Je vidět, že E0 těchto dvou je podobné, což vytvoří konkurenční vztah, který značně omezuje pracovní napětí elektrolyzéru. Kromě toho, jak reakce ClOR, tak tvorba chlornanu jsou dvouelektronové reakce a reakce ClOR je kineticky snadněji proveditelná než čtyřelektronová reakce OER, takže se obvykle pozoruje, že overpotenciál OER je vyšší než u ClOR.

04

Stav výzkumu

V současné době je výroba vodíku z mořské vody stále v rané fázi výzkumu a testování a stále čelí mnoha výzvám, ale výzkum a vývoj výroby vodíku z elektrolýzy mořské vody dosáhl určitého pokroku. V roce 2022 tým akademika Xie Hepinga učinil zásadní originální průlom v oblasti přímé výroby vodíku z mořské vody a inovativně zavedl nový princip a technologii přímé výroby vodíku z mořské vody bez odsolování poháněné fázovým přechodem a migrací. Demonstračních projektů výroby vodíku z mořské vody je u nás i v zahraničí mnoho, ale stále se jedná o malé pilotní projekty a většina z nich je ve výstavbě nebo se navrhuje.

Přestože výroba vodíku elektrolýzou mořské vody má před sebou dlouhou cestu od malých a pilotních testů ke konečné průmyslové široké aplikaci. Domníváme se však, že pokud se tato technologie nakonec uplatní na bilionové úrovni vodíkové energie, zanechá to nejhlubší inkoust na cestě „dekarbonizace“!