Hvad er brintproduktion fra havvand? Hvorfor så meget opmærksomhed? Hvad er de tekniske vanskeligheder?

Hvorfor har succesen med pilottesten af ​​brintproduktion ved direkte elektrolyse af havvand tiltrukket sig så meget opmærksomhed? Hvor svært er det? Hvad er de tekniske vanskeligheder, der skal overvindes for at producere brint ved havvandselektrolyse?

01

Brintproduktion fra havvand

Brintproduktion ved vandelektrolyse anses for at være en meget vigtig teknologi til fremstilling af grøn brint. På nuværende tidspunkt bruger den kommercialiserede vandelektrolyseteknologi ferskvand som elektrolyt. Som vi alle ved, er de globale ferskvandsressourcer ekstremt begrænsede, med den storstilede anvendelse af vandkraft til at producere brint, hvilket utvivlsomt forværrer manglen på ferskvandsressourcer. Derimod er havvand rigt på ressourcer, hvilket giver anledning til ideen om "produktion af havvandsbrint".

I modsætning til ferskvand, der tegner sig for 96,5 procent af Jordens samlede vandvolumen, har havvand en kompleks sammensætning, der involverer mere end 90 kemikalier og grundstoffer. Et stort antal ioner, mikroorganismer og partikler indeholdt i havvand kan føre til problemer som sidereaktionskonkurrence, katalysatorinaktivering og membranblokering under brintproduktion.

Til dette formål har brintproduktionsteknologi, der anvender havvand som råmateriale, dannet to forskellige ruter. For det første produceres den direkte produktion af brint fra havvand, det vil sige baseret på naturligt havvand, hovedsageligt ved elektrolyse eller fotolyse. For det andet er indirekte brintproduktion af havvand at afsalte og fjerne urenheder fra havvand, afsalte havvand til først at danne ferskvand med høj renhed og derefter producere brint.

02

To store fordele

Offshore brintproduktionsplatforme kan bruges som langtidslagring af energi eller produktionssteder for finkemikalier, hvilket gør det muligt at integrere grøn energi tæt med kemiske produktionssystemer.

Offshore brintproduktionsplatformen kan løse problemet med forbruget af vidtrækkende marin vedvarende elektricitet, og brugen af ​​vedvarende elektricitet til at producere brint og grøn ammoniak på stedet kan blive den vigtigste anvendelsesmetode for vidtrækkende marin vedvarende energi i fremtid.

03

Teknisk vanskelighed

Teknisk vanskelighed 1: Mange urenheder i havvand påvirker forekomsten af ​​katodebrintudvikling

I processen med elektrolytisk vand udfældes H2 fra katoden, til katodens hydrogenudviklingsreaktion er det mest udfordrende problem, at der er forskellige opløste kationer i naturligt havvand, såsom Na+, Mg2+, Ca2+ osv. der er en række forskellige bakterier, mikroorganismer og bittesmå partikler.

Disse urenheder vil tilstoppe elektroden med fremskridt i havvandselektrolyse og derefter forgifte eller fremskynde ældningen af ​​elektroden/katalysatoren i det elektrolytiske system, hvilket resulterer i dårlig holdbarhed.

Teknisk vanskelighed 2: chloridioner forårsager anodisk korrosion og påvirker den anodiske oxygenudviklingsreaktion

I processen med elektrolyse af vand udfældes O2 normalt fra anoden. Tilstedeværelsen af ​​et stort antal chloridioner (Cl-) i havvand vil dog forårsage alvorlig korrosion af anodematerialet, hvilket vil føre til elektrodeskader og højspænding, og dermed afslutte den effektive oxygenudviklingsreaktion. Derudover vil den høje koncentration af chloridioner også forekomme i anodechloroxidationsreaktionen, der optager det aktive sted af katalysatoren, hvorved effektiviteten af ​​anode-iltudviklingsreaktionen reduceres.

Teknisk vanskelighed 3: Konkurrence mellem anodisk oxygenudviklingsreaktion og oxygenchloreringsreaktion

I processen med havvandselektrolyse vil anoden gennemgå to reaktioner, nemlig: oxygenudviklingsreaktion (OER) og oxygenchloreringsreaktion (ClOR). Oxygenudviklingsreaktion: 4OH-→O2+H2O+4e-; E0=1,23V (vs. RHE)

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

Det kan ses, at E0 af de to er ens, hvilket vil skabe et konkurrenceforhold, som i høj grad begrænser elektrolysatorens arbejdsspænding. Derudover er både ClOR-reaktionen og hypochloritdannelsen to-elektron-reaktioner, og ClOR-reaktionen er lettere at udføre kinetisk end OER-fire-elektron-reaktionen, så OER-overpotentialet observeres normalt at være højere end ClOR.

04

Forskningsstatus

På nuværende tidspunkt er brintproduktion fra havvand stadig i den tidlige fase af forskning og testning og står stadig over for mange udfordringer, men forskningen og udviklingen af ​​brintproduktion fra havvandselektrolyse har gjort nogle fremskridt. I 2022 lavede akademiker Xie Hepings team et stort originalt gennembrud inden for direkte brintproduktion fra havvand og etablerede innovativt et nyt princip og teknologi for direkte brintproduktion fra havvand uden afsaltning drevet af faseovergang og migration. Der er mange demonstrationsprojekter af havvandsbrintproduktion i ind- og udland, men de er stadig små piloter, og de fleste af dem er under opførelse eller foreslået.

Selvom brintproduktion ved havvandselektrolyse har en lang vej at gå fra små og pilotforsøg til den endelige industrielle anvendelse. Vi tror dog, at i brintenergiens trillionniveau, hvis denne teknologi til sidst anvendes, vil den efterlade den mest dybtgående blæk på vejen til "dekarbonisering"!