Отдел продаж

Телефоны: (3532) 25-27-22, 93-60-02, 93-50-02

E-mail: [email protected]

г.Оренбург, ул.Беляевская, д.50/1, стр.1

 

Дом

Как из воды выделить водород в домашних условиях: Наука: Наука и техника: Lenta.ru

Содержание

Расщепление воды с эффективностью 100%: полдела сделано / Хабр

Если найти дешёвый и простой способ электролиза/фотолиза воды, то мы получим невероятно богатый и чистый источник энергии — водородное топливо. Сгорая в кислороде, водород не образует никаких побочных выделений, кроме воды. Теоретически, электролиз — очень простой процесс: достаточно пропустить электрический ток через воду, и она разделяется на водород и кислород. Но сейчас все разработанные техпроцессы требуют такого большого количества энергии, что электролиз становится невыгодным.

Теперь учёные решили часть головоломки. Исследователи из Технион-Израильского технологического института разработали метод проведения второго из двух шагов окислительно-восстановительной реакции — восстановления — в видимом (солнечном) свете с энергетической эффективностью 100%, значительно превзойдя предыдущий рекорд 58,5%.

Осталось усовершенствовать полуреакцию окисления.


Столь высокой эффективности удалось добиться благодаря тому, что в процессе используется только энергия света. Катализаторами (фотокатализаторами) выступают наностержни длиной 50 нм. Они абсорбируют фотоны от источника освещения — и выдают электроны.

В полуреакции окисления производятся четыре отдельных атома водорода и молекула О2 (которая не нужна). В полуреакции восстановления четыре атома водорода спариваются в две молекулы H2, производя полезную форму водорода — газ H2,

Эффективность 100% означает, что все фотоны, поступившие в систему, участвуют в генерации электронов.

На такой эффективности каждый наностержень генерирует около 100 молекул H2 в секунду.

Сейчас учёные работают над оптимизацией техпроцесса, который пока что требует щелочной среды с невероятно высоким pH. Такой уровень никак не приемлем для реальных условий эксплуатации.

К тому же, наностержни подвержены коррозии, что тоже не слишком хорошо.

Тем не менее, сегодня человечество стало на шажок ближе к получению неиссякаемого источника чистой энергии в виде водородного топлива.

Научная работа опубликована в журнале Nano Letters (зеркало).

Ученые научились получать водород из воды — Российская газета

Ученые Стэнфордского университета создали «расщепитель» воды, способный 24 часа в сутки и семь дней в неделю производить из воды водород и кислород. По словам ученых, это своего рода мировой рекорд. Но самое главное, что цена этого водорода намного ниже, чем у всех существующих сегодня электролизеров. Дело в том, что в них применяются дорогие катализаторы — как правило платина и иридий, на которых и протекает реакция электролиза. Кроме этого, электроды находятся в электролитах, разделенных дорогостоящей мембраной, обеспечивающей ионную электрическую проводимость. Словом высокая цена оставалась главным препятствием для водородной революции на транспорте, которую вот уже лет 20 обещают энтузиасты водорода.

Созданный американскими учеными намного дешевле, он сделан из оксида железа-никеля. Электролизер расщепляет воду при потенциале всего в 1,5 вольта, а его эффективность при комнатной температуре имеет беспрецедентное значение — 82 процента.

Ключом к созданию высокоэффективного и простого катализатора стали ионы лития, которые позволили «расколоть» слой оксида железа-никеля на очень мелкие частички. В итоге намного увеличилась площадь поверхности, на которой проходит реакция расщепления воды, и к тому же она стала более активной. «Кроме этого, частички оксида хорошо связаны друг с другом, что обеспечивает высокую электрическую проводимость электрода в целом», — говорит автор разработки профессор И Куи.

Водород уже давно считается одним из самых перспективных видов альтернативного топлива. Но методы получения водорода из воды путем электролиза до последнего времени были экономически не выгодны и, поэтому, не получили широкого распространения. Созданная в Стэнфорде технология может стать бесконечным источником экологически чистого водородного топлива для различных видов транспорта и для промышленных нужд. Профессор Куи уверен, что такие же принципы могут стать основой создания катализаторов, предназначенных для других реакций, нежели электрохимическое расщепление воды на водород и кислород.

Как сделать водородную воду в домашних условиях


Если рассматривать различные способы улучшения питьевой воды, то одним из самых полезных среди них можно считать насыщение воды молекулярным водородом. При этом жидкость получает ряд уникальных свойств:

  • антиоксидантная активность;
  • оптимальный для организма показатель pH;
  • нормализация ОВП (Redox-потенциала).


Учитывая такие полезные характеристики питьевой жидкости с повышенным содержанием Н2, часто возникает вопрос – как сделать водородную воду в домашних условиях? До недавнего времени широкому кругу людей на бытовом уровне были доступны только дорогостоящие электролитические установки, сложные в управлении. Они достаточно небезопасны и требуют больших затрат на электроэнергию. Кроме того, водородную воду дома можно получить за счет химической воды реакции с активными металлами. Такая технология тоже считается небезопасной, требует большой аккуратности и знаний.


Генераторы для получения водородной воды


Современная альтернатива упомянутым способам производства водородной воды – компактные устройства с уникальной технологией выработки молекулярного водорода. В отличие от обычного неконтролируемого электролиза под высоким напряжением, реакция в таких генераторах проходит в особой мембране. Она изготовлена из электропроводящего полимера. Во время электрохимической реакции она не выделяет побочных продуктов разложения и не загрязняет жидкость. Это значит, что водородную воду можно будет сразу пить и не подвергать ее дополнительной фильтрации.


Также в качестве устройства для получения воды, насыщенной водородом, можно рассматривать бутылки-ионизаторы. В их фильтр-блоке содержатся магниевые и керамические шарики, способствующие образованию молекул водорода. Они могут очищать и улучшать качество воды, ощелачивая ее и уменьшая в ней количество свободных радикалов. При этом бутылки-ионизаторы не требуют электропитания или подзарядки аккумулятора и полностью автономны.


Водородная вода в домашних условиях из генератора


При использовании такого способа насыщения жидкости молекулами h3, не нужно заниматься длительными расчетами и подготовкой оборудования. Генератор работает автономно от встроенного аккумулятора, при включении ему не нужны внешние источники питания. Такое устройство позволяет безопасно приготовить водородную воду дома за несколько минут. По своим характеристикам она не будет отличаться от той, которую обработали в дорогостоящих установках для насыщения h3.


Узнайте больше о получении водородной воды дома – обращайтесь к представителям интернет-магазина Кулмарт по телефонам +7 (495) 951-34-22 или +7 (495) 504-61-81.

Как получают водород в промышленности: способы выделения

Водород считается одним из наиболее ценных видов сырья для синтеза аммиака и производства полимеров и нефтехимии. Он используется для получения твердых жиров из масел растительного происхождения. Из-за высокой химической активности вещество в чистом виде практически не встречается в природе. Основные источники для получения водорода в промышленности — метан, содержащийся в природном газе, и вода. Специалисты отмечают также перспективность разделения попутных газов коксового производства, которые на большинстве предприятий сжигаются.

Способы выделения водорода из соединений

Самые распространенные способы получения водорода в промышленности:

  • паровая конверсия метана и его гомологов;
  • газификация кокса;
  • электролитическое разложение воды.

Особенности работы оборудования для получения водорода

Метановый конвертор


Оборудование для получения водорода в промышленности методом паровой конверсии имеет сложную конструкцию и компоновку. В его состав входят парогенератор, компрессорная станция, подогревающая установка, конверторы метана и угарного газа. Система подключена к подающей магистрали и потребителям. Извлечение водорода происходит при температуре до 1000° C под избыточным давлением и в присутствии катализатора. Перед этим сырье подогревается, очищается от серосодержащих примесей и перемешивается с водяным паром.

Восстановление водорода происходит в два этапа.

  • После первой ступени конверсии продукт содержит до 10% метана, для разложения которого в смесь вводят атмосферный воздух.
  • В конце процесса водород очищают от кислорода и оксидов углерода, а избыточное тепло направляют в котел-утилизатор для производства водяного пара.

Процесс полностью замкнут и энергетически независим, но требует применения сложных схем контроля. Несмотря на недостатки, большую часть водорода в промышленности получают как раз этим способом.

Установка газификации кокса

Технология заключается в пропускании перегретого водяного пара через слой кокса, каменного или бурого углей при температуре свыше 1000° C без доступа кислорода.Полученная смесь водорода и окиси углерода обрабатывается водяным паром. Один из наиболее перспективных способов применения продуктов газификации угля — сжигание на тепловых электростанциях, поскольку современные установки отчаются высокой производительностью, сравнительно низкой себестоимостью конечного продукта и способны работать в непрерывном режиме.

Электролизеры

При помощи электролитических установок водород получают как в промышленности, так и для коммерческого использования. На рынке присутствует оборудование разной производительности, а сырьем служит обычная вода. Установка представляет собой сосуд с раствором щелочи или средней соли, в который погружены два электрода. При пропускании постоянного тока на катоде выделяется водород. Вторичный продукт реакции — кислород — также используется для решения технологических задач. Доочистка позволяет получить на выходе технически и химически чистый водород. Электролизер с вспомогательным оборудованием для водоподготовки и осушения размещается на небольшой площади. Многие производители предлагают мобильные моноблочные и контейнерные установки.

Среди всех способов получения водорода в промышленности электролитический считается наиболее экологичным. Единственный его условный недостаток — зависимость от качества сети питания.

Мой водородный шарльер или как получить водород в домашних условиях

Информация предоставлена исключительно в образовательных целях!
Администратор сайта не несет ответственности за возможные последствия использования предоставленной информации.

У меня есть мечта — запустить высотный шарльер — «воздушный» шар, наполненный водородом.  Далее я подробно опишу, как мне таки удалось ее реализовать.

Классификация высотных шаров

Высотные любительские шары (свободные аэростаты) делятся на три класса:
шарльеры — оболочка наполнена газом легче воздуха;
монгольфьеры — оболочка наполнена горячим воздухом;
розьеры — оболочка содержит две камеры — одна наполнена газом легче воздуха, а вторая — подогретым воздухом. Это позволяет контролировать подъемную силу, но с намного меньшим расходом топлива, чем у монгольфьера.

История шарльеров

Сейчас для высотных любительских шаров широко используется гелий (ранее применялся водород).

Впервые водород для воздухоплавания использовал в 1783 году французским профессор физики Жаком Шарлем (Jacques Alexandre César Charles):

Водород поступал по шлангу из бочек с железными опилками и серной кислотой, шар диаметром 9 метров заполнялся 4 дня. Его шар, который исследователь назвал «La Charlière» (отсюда и название «шарльер«), достиг высоты 550 м:

В журнале «Природа» №10 за 1912 год описано применение водородных шаров в метеорологии:
привязной шар — круглый шелковый пролакированный шар, наполняемый водородом объемом до 20 м3; подобные шары поднимались на высоту 9650 м:

баллон-зонд — гуттаперчевый баллон, вмещающий 3-4 м3 водорода; к такому баллону прикрепляют парашют и метеограф; при достижении верхних слоев атмосферы баллон лопается, а парашют с метеографом спускаются на землю; такие шары достигли высоты 29040 м:

пилот-баллон — небольшой (объемом 0,1 — 0,2 м3) гуттаперчевый шар, наполненный водородом и летящий свободно без метеографа, наблюдение за таким шаром позволяет определить направления и скорости воздушных течений в атмосфере на различных высотах; такие шары достигли 25000 м.

Гелиевый шар, запущенный 1 ноября 2002 года, достиг высоты 79 809 футов http://vpizza.org/~jmeehan/balloon/#launch
Алексей Карпенко из Канады в октябре 2007 года запустил самодельный воздушный шар с бортовым компьютером, фото и видео камерой на высоту больше 30 километров http://www.natrium42.com/halo/flight2/
Гелиевый шар, запущенный Robert Harrison (UK) 17 октября 2008 года, достиг высоты 35 015 метров (проект Icarus) http://www.robertharrison.org/icarus/wordpress/28/icarus-i-launch-3/
Greg Klein, Alex Martin и Tim Wheeler запустили в сентябре 2009 года гелиевый шар, достигший высоты 90 000 футов http://apteryx.hibal.org/

Юридические аспекты запуска высотных шаров

Такие воздушные шары относятся к летательным аппаратам класса A (свободные аэростаты) подкласса  AA (свободные аэростаты, подъемная сила которых создается газом легче воздуха, без бортового подогревателя воздуха и без наддува оболочки) в соответствии со спортивным кодексом Международной авиационной федерации (FAI).

В Республике Беларусь Указом Главы государства от 25 февраля 2016 г. № 81 определено, что под авиамоделью понимается летательный аппарат без человека на борту, управление полетом которого возможно только при условии визуального контакта с ним, а также неуправляемый свободнолетающий аппарат. Таким образом, воздушный шар относится к авиамоделям. Постановлением Совета Министров Республики Беларусь от 16.08.2016 №636 утверждены Правила использования авиамоделей в Республике Беларусь.  Согласно правилам, авиамодели не подлежат государственной регистрации. Однако их использование запрещено на высоте, превышающей 100 метров от уровня земной или водной поверхности. Использование авиамоделей запрещается в пределах запретных зон, установленных Министерством обороны и Министерством транспорта и коммуникаций, и в случаях, определяемых Службой безопасности Президента Республики Беларусь; Авиамодели общей массой более 0,5 килограмма подлежат обязательной маркировке с указанием данных владельца.

Согласно пункту Федеральных правил использования воздушного пространства Российской Федерации для пользователей воздушного пространства, выполняющих полеты в воздушном пространстве классов A и C, устанавливается разрешительный порядок использования воздушного пространства — на основании плана использования воздушного пространства при наличии разрешения на использование воздушного пространства.

Получение водорода в домашних условиях

Я решил построить шарльер, так как получить гелий в домашних условиях весьма проблематично, а покупать — слишком просто и неинтересно.

  
ОПЫТЫ С ВОДОРОДОМ ОЧЕНЬ ОПАСНЫ! Водород пожароопасен и в смеси с воздухом взрывоопасен. Водород — наименее плотный из всех известных газов и дешевле сейчас широко используемого для пилотируемого воздухоплавания гелия в 40-50 раз. Его плотность 90 г/м3 (у воздуха для сравнения 1,23 кг/м3). Подъемная сила водородного шарльера равна разнице в весе между воздухом и водородом в одном и том же объеме. Если шар объемом 1 м3 наполнен водородом, то его подъемная сила будет равна 1,2 кг (масса 1 м3 воздуха) — 0,09 кг (масса 1 м3 водорода) = 1,01 кг. Таким образом 1 литр водорода поднимает около 1 грамма полезной нагрузки.

Вот иллюстрация к сравнению водорода и гелия из научно-популярной передачи WOW на канале CGTN:

Как же добыть водород???

Реакция с каустической содой

Самым безопасным способом получения водорода является реакция алюминия с водой:
2 Al + 6 H2O = 2 Al(OH)3 + 3 H2

Но ходу этой реакции препятствует оксидная пленка на поверхности алюминия. Ее можно удалить с помощью хлорида ртути HgCl2. Но в домашних условиях более простым способом получения водорода является реакция алюминия с водой и гидроксидом натрия (ионы  OH) разрушают оксидную пленку на поверхности алюминия и начинается реакция):

2 Al + 6 NaOH = 3 H2 + 2 Na3AlO3

(альтернативное описание этой реакции — 2 Al + 2 NaOH + 6 Н2О = 2 Na[Al(OH)4] + 3 Н2)

54 грамма алюминия (2 моля) + 240 грамм едкого натра (6 молей) = 6 грамм водорода (3 моля).

Реакция идет с нагреванием (экзотермическая), вода при этом может закипеть!!!

Гидроксид натрия NaOH (каустическая сода, каустик, едкий натрий, едкий натр, едкая щелочь) (англ. sodium hydroxide, caustic soda, lye) широко распространена в природе.

Каустическая сода разъедает органические вещества. Относится к высокоопасным веществам 2 класса опасности. При попадании на кожу, слизистые оболочки и в глаза образуются серьёзные химические ожоги. При контакте слизистых поверхностей с едкой щёлочью необходимо промыть поражённый участок струей воды, а при попадании на кожу слабым раствором уксусной кислоты. Нельзя допускать попадания гидроксида натрия внутрь организма человека или животного!

Плотность гидроксида натрия (кристаллы) составляет 1,59 грамма в см3, растворимость в воде 108,7 грамма в 100 миллилитрах воды. Таким образом, 240 грамм занимают объем приблизительно 150 см3, и требуют для полного растворения 220 мл воды. Если воды недостаточно, то будет образовываться пена.

Достать гидроксид натрия можно в магазине бытовой химии — средство для чистки канализации:

В качестве источника алюминия можно использовать фольгу или проволоку. Плотность алюминия равна 2,7 грамма в куб. см. Для проволоки диаметром 2 мм масса 10 см проволоки равна 0,85 грамма, а 1 грамм проволоки имеет длину 11,8 см.

При нормальном давлении 6 грамм водорода занимают объем 67,2 литра (из-за давления оболочки шара объем будет меньше).

Для водорода в шарике справедлив закон Шарля (назван в честь упомянутого выше французского ученого) — «объем газа при постоянном давлении пропорционален его температуре»:
${P = const} \to {{T_1} \over {V_1}} = {{T_2} \over {V_2}} = {const}$
Водород в завязанном воздушном шарике находится при атмосферном давлении и, как следствие, объем шарика возрастает при нагреве и уменьшается при охлаждении.

Подходящим сосудом для смешивания реактивов является бутылка из-под шампанского, выдерживающая давление до 6 атм.
Сначала наливаем в бутылку 500 мл воды, добавляем 100 грамм гидроксида натрия, размешиваем до растворения, а затем бросаем внутрь бутылки нарезанную на кусочки по несколько см алюминиевую проволоку (30 грамм). Реакция сначала протекает медленно, но затем ускоряется. Бутылка при этом заметно нагревается.

Указанного количества реактивов должно хватить для выработки более 30 литров водорода. Одеваем шарик на горлышко бутылки и наблюдаем, как он наполняется водородом:

При первом успешном запуске 4 августа 2012 года объем надутого шарика составил более 25 литров. Использованный большой детский воздушный шарик весил около 8 грамм. Таким образом, «чистая» подъемная сила составила около 25-8 = 16 грамм.

Также можно использовать цинк Zn вместо алюминия Al, а вместо гидроксида натрия NaOH — гидроксид калия KOH (едкое кали, каустический поташ).

Альтернативными вариантами добычи водорода «на дому» являются реакция с медным купоросом и электролиз раствора.

Реакция с медным купоросом

Медный купорос CuSO4 является сульфатом меди (медной солью серной кислоты).

Медный купорос ядовит, относится к третьему классу опасности — оказывает отравляющее действие при попадании на слизистые оболочки или при приеме внутрь.

Необходимо смешать несколько ложек медного купороса с немного большим количеством поваренной соли. Затем в емкость с полученной смесью добавить воды. После полного растворения раствор должен окраситься в зеленый цвет (если этого не произошло, то следует добавить еще соли). Затем добавляем кусочки алюминия и начинается реакция — образовавшийся в растворе хлорид меди смывает с поверхности алюминия оксидную пленку и алюминий вступает в реакцию, при которой восстанавливается медь и выделяется водород.

Реакция протекает с выделением тепла, поэтому целесообразно поместить емкость с реагентами в холодную воду.

Электролиз

Электролиз раствора каустической соды

Также водород выделяется при электролизе разбавленного раствора каустической соды в дистиллированной воде, причем электроды должны быть железными («железный» аппарат). Реакция идет с выделением тепла, поэтому необходимо предусмотреть отвод тепла от емкости, например, поместить деревянную емкость в песок (например, рекомендуется температура около 70° C). При необходимости можно подливать в раствор дистиллированную воду. Чистота получаемого водорода при этом достигает 97 % (по информации «Британской энциклопедии» за 1911 год). В журнале «Природа» за 1922 год указывается, что такой способ наполнения воздушных шаров водородом применялся во время Первой мировой войны.

Электролиз раствора поваренной соли

При электролизе водного раствора поваренной соли (англ. brine) вблизи одного из электродов (катода) выделяется водород, вблизи другого (анода) — хлор, и образуется щелочь — гидроксид натрия:
2 NaCl + 2 H2O = 2NaOH + H2 + Cl2

Лакмусовая бумажка синеет, показывая щелочную реакцию:

Также на аноде выделяется в небольших количествах кислород из-за разложения гидроксид-ионов и молекул воды.
В качестве анода и катода целесообразно использовать инертные графитовые электроды, например, стержни, извлеченные из солевых (с надписью Heavy Duty) батареек:

Как показал проведенный мной эксперимент, выход водорода в этом случае невелик.

Тест на водород

Смесь водорода и кислорода воздуха (гремучий газ) взрывоопасна, и это ее свойство можно использовать как тест на наличие водорода. К пробирке с исследуемым газом нужно поднести заженную лучину, и если в пробирке накопился водород, то произойдет громкий хлопок (смесь водорода и кислорода сгорает со взрывом):

Чем меньше в пробирке кислорода, тем тише будет хлопок. Чистый водород даст лишь легкую вспышку — он горит без взрыва.

Запуск шарльера

Горлышко надувшегося шарика завязывается сложенной в несколько раз нитью, эта нить затем привязывается к нитке, намотанной на катушку:

Шарик взлетает очень резво, катушка ниток быстро разматывается.
Нижеприведенные снимки шарика в небе сделаны с четырехкратным увеличением.

При запуске 4 августа 2012 года была размотана почти целая катушка ниток длиной 200 м (но нить провисала). При наблюдении шара в подзорную трубу угловые размеры шарика составили примерно десятую часть поля зрения. Подзорная труба «Турист-3» обладает увеличением 20 крат и углом поля зрения 2 градуса. Таким образом, угловые размеры шара составили около 0,2 градуса. Учитывая, что диаметр шара составил при запуске 37 см (пренебрегаем расширением шара), расстояние до него составило около 100 м.

Продолжение следует
 

Как добыть водород безопасно в домашних условиях?

Умиляют подобные вопросы, ведь простому обывателю кажется, что получить водород достаточно просто, а ведь между тем это, хотя и можно сделать в обычных условиях, все же довольно опасно. Первое, что нужно знать — это то, что делать подобные опыты нужно не иначе, как на открытом (на улице) воздухе, поскольку водород — газ весьма и весьма легкий (примерно в 15 раз легче стандартного воздуха) и будет он скапливаться у потолка, образуя смесь, весьма способную к взрыву. Если же принять все необходимые меры по предотвращению проблемных моментов, то можно осуществить реакцию взаимодействия щелочи и алюминия.

Берем колбу (лучше всего) или бутылку из стекла на 1/2 литра, пробку (посредине отверстие), трубку для отвода водорода, по 10 грамм алюминия и купороса (медного), соли поваренной (примерно грамм 20-ть), воды в количестве 200 мл. и шарик (резиновый) для сбора водорода. Купорос приобретаем в садово-огороднических магазинах, а в качестве алюминиевого сырья вполне могут выступить банки из под пива или проволока. Само собой, эмаль предварительно удаляют обжигом, нужен чистый алюминий, без примесей.

На 10 грамм купороса берут 100 мл воды, соответственно, готовят и второй раствор — на 20 грамм соли уйдет 100 мл воды. Оттенок растворов будет таким: купорос — голубой, соль — бесцветный. Далее все смешиваем воедино и получаем такой зеленоватого оттенка раствор. В него и добавляют заготовленный заранее алюминий. Смесь начнет давать пену — это водород. Алюминий замещает медь и вы это воочию сможете увидеть по налету красноватого оттенка на алюминиевом сырье. Появляется взвесь белесоватого цвета, именно тут можно начинать собирать нужный нам водород.

В процессе идет получение дополнительного тепла, в химии такой процесс относят к экзотермическим. Понятное дело, что если процесс не контролировать, то получится что-то вроде гейзера, который будет выплевывать порции кипятка, так что концентрация первоначальная должна быть под контролем. Для этого же и используют пробку с трубкой, чтобы безопасно произвести вывод водорода наружу. Диаметр трубки, кстати, никак не должен превышать 8-ми миллиметров. Собранным водородом можно надуть шарик, который будет значительно легче окружающего воздуха, а значит — позволит ему подняться вверх. Честно сказать, подобные опыты практиковать нужно чрезвычайно внимательно и осторожно, иначе не избежать травм и ожогов.

Водород вместо нефти: новая энергетика оказалась для России сомнительной

В XXI веке рост производства энергии, населения и потребления природных ресурсов достиг таких значений, что биосфера стала подавать человечеству сигналы тревоги. Эти сигналы видятся в различных проявлениях экологического кризиса: глобальном потеплении, загрязнении окружающей среды, снижении биоразнообразия, росте катастрофических стихийных бедствий.

Современная наука давно предсказала поджидающие человечество климатические опасности и призывает постепенно отходить от использования ископаемого топлива. Смягчить темп запущенного человечеством процесса глобального потепления можно только за счет сокращения выбросов СО2. В решении этой климатической проблемы немало надежд возлагается на использование водорода как удобного энергоносителя. В принятом Правительством РФ плане по реализации Энергетической стратегии до 2035 года наряду с другими мерами предусматривается производство и использование водорода.

Термин «водородная энергетика» иногда заменяют более общим — «водородная экономика». Оба понятия предполагают широкое использование водорода в энергетических системах и других секторах экономики. Мировое производство товарного водорода превышает 40 млн тонн/год, более 70% которого используется в химической промышленности для производства аммиака, метанола и синтетических материалов, остальные 30% — в нефтепереработке, в металлургии и пищевой промышленности. Для этих целей водород производят из природного газа — хорошо освоенного крупнотоннажного производства.

Водород — это самый легкий и распространенный во Вселенной химический элемент, который является топливом звезд. Каждую секунду на Солнце 600 млн тонн водорода путем термоядерного синтеза превращаются в гелий, выделяя огромное количество световой и тепловой энергии, благодаря которой стала возможной жизнь на Земле.

Из-за своей высокой реакционной способности водород легко связывается с другими элементами, поэтому в земных условиях он всегда находится в соединениях. Водород не является возобновляемым источником энергии (ВИЭ), а является лишь удобным носителем энергии. Действительно, 1 кг водорода содержит более 33 кВт/ч энергии, что примерно в 3 раза превосходит теплотворную способность природного газа и в 7 раз — каменного угля. Однако, чтобы выделить водород из воды или метана, надо вначале затратить значительную энергию и только потом использовать его как топливо.

С экологической точки зрения применение водорода является выгодным в случае, когда первичный источник энергии является возобновляемым. Водород позволяет устранять основные недостатки возобновляемых источников энергии (ВИЭ) — зависимость режима работы от внешних условий, а также их неспособность запасать энергию. Главным аргументом для внедрения водорода в энергетику является охрана окружающей среды, потому что в месте его энергетического использования в атмосферу выбрасывается только водяной пар. Водород как газообразное химическое топливо может заменять углеводороды в двигателях внутреннего сгорания, газовых турбинах и системах отопления. Кроме того, водород можно использовать для прямого получения электрической энергии с помощью топливных элементов.

В настоящее время 96% водорода получают из ископаемого топлива и 4% — электролизом воды. Самым подходящим сырьем для получения водорода является природный газ. Однако этот газ сам по себе является ценным первичным источником энергии и широко используется на электростанциях и в быту. Более 50% водорода получают путем паровой конверсии метана.

Из 1000 кубических метров метана можно получить около 350 кг водорода стоимостью 700 долл. В России стоимость 1000 кубометров метана составляет всего 60 долл. Отсюда можно заключить, что использование в России водорода в качестве топлива в 4 раза менее выгодно, чем использование метана. Следует также добавить, что при получении из метана 1 т водорода в воздух выбрасывается 5,5 т парникового газа СО2. Таким образом, при производстве водорода из ископаемого топлива образуется большое количество парникового газа СО2, который необходимо улавливать и каким-то образом утилизировать, например, закачивать в геологические горизонты. Водород, получаемый из метана и угля, не помогает решению климатической проблемы, поэтому его называют «коричневым водородом», что существенно снижает его цену как товара на внешнем рынке.

Электролиз — процесс разложения воды на водород и кислород с помощью электричества — является энергоемким и обходится примерно в 4 раза дороже, чем производство водорода из природного газа. С учетом отсутствия выбросов парниковых газов процесс электролиза воды — это самый чистый метод получения водорода. Если необходимая для электролиза энергия поступает из источников возобновляемой энергии, то на выходе получают «зеленый водород». Нужно помнить, что водородная энергетика чиста и безвредна для окружающей среды, если таким же чистым является процесс получения водорода.

Производство водорода путем электролиза воды является привлекательным средством аккумулирования энергии в сочетании с гидравлической, солнечной или ветровой энергией. Существуют проекты, основная идея которых состоит в получении «зеленого водорода» с помощью ГЭС и передаче его удаленным потребителям для использования на транспорте в качестве топлива с нулевыми выбросами диоксида углерода и отсутствием выбросов десятка других загрязняющих веществ. Например, если годовую выработку Саяно-Шушенской ГЭС направить на производство «зеленого водорода» путем электролиза, то в течение года из енисейской воды можно получить 675 тыс. т водорода стоимостью 5,5 млрд долл. Для ГЭС производить и продавать на свободном рынке такое экологически чистое топливо намного выгоднее, чем продавать киловатт-часы электроэнергии.

Надо учитывать, что в водородном топливном элементе (ВТЭ) химическая энергия преобразуется в электрическую с КПД около 93%. При всей заманчивости идеи использования ВТЭ в энергетике ее реализация наталкивается на серьезные трудности. Основная трудность заключается в превращении компонентов реакции в ионы при умеренных температурах за счет применения катализаторов, включающих металлы платиновой группы.

Самая отработанная технология реализована в ВТЭ, где в качестве протонообменного электролита используется фосфорная кислота. Цена такого ВТЭ составляет около 4500 долл. за 1 кВт мощности. Это дороже, чем стоимость традиционной энергии, однако в ВТЭ отсутствуют подвижные части и затраты на их эксплуатацию невелики. Эти ВТЭ нашли свое место среди потребителей, которым нужен устойчивый и экологически чистый источник энергии, например, аэропорты, больницы, военные объекты. Во время пилотируемых полетов в космос также используются ВТЭ, где в качестве побочного продукта получается вода, которую экипаж может использовать в качестве питьевой.

В мире рассматриваются амбициозные программы внедрения ВТЭ для автомобильного транспорта, прежде всего из соображений защиты воздушного бассейна городов. Международный совет по водородным технологиям предполагает, что к 2050 году мировой рынок водорода увеличится до 2,5 трлн долл./год. Например, Япония планирует довести объем внутреннего рынка водорода до 70 млрд долл./год. При этом наладить собственное электролизное производство водорода ей не удается ввиду отсутствия необходимых запасов пресной воды и энергии. Японцы остановились на импорте из Австралии «коричневого водорода», который в сжиженном виде при температуре минус 253°С доставляется в Японию специальным танкером. Здесь Россия могла бы составить конкуренцию Австралии, построив в бассейне Амура пару крупных ГЭС для производства «зеленого водорода» с помощью электролиза. Этот «зеленый водород» может стать самым прибыльным российским экспортным продуктом. Две будущие дальневосточные ГЭС могут обеспечить через 30 лет годовую потребность всего японского автотранспорта.

Хранение и транспортировка водорода представляют немалую проблему. Атомы водорода способны проникать и улетучиваться через микротрещины и поры в металлических стенках труб и резервуаров. Баллоны для хранения водорода очень тяжелые, потому что имеют сложную и многослойную структуру стенок. Водород в отличие от метана взрывается при любом соотношении с воздухом. При малейшем дорожно-транспортном происшествии риск взрыва очень высок. Водород вызывает «охрупчивание» стали, поэтому не следует надеяться на то, что российский «коричневый водород» можно будет транспортировать по магистральному трубопроводу «Северный поток-2», выполненному по классической схеме.

Таким образом, водород сам по себе не является инструментом декарбонизации глобальной энергетики и экономики будущего. Ни «коричневый», ни «зеленый водород» не решают климатической проблемы, потому что для их производства требуется ровно столько энергии, сколько они могут вернуть при использовании в качестве химического топлива. Водород удобно использовать в другом качестве — как накопителя избыточной энергии, производимой всеми известными видами генерации. Водород как энергоноситель-посредник может получить применение в транспортной сфере для исключения загрязняющего воздействия выхлопных газов автомобилей в крупных городах. Правда, подобный экологический инструмент могут позволить себе только высокоразвитые страны. С большой долей вероятности автомобили на водородном топливе не смогут конкурировать с электромобилями и выйти к 2050 г. на уровень массового производства. Для широкого и повсеместного применения водорода современная цивилизация не располагает необходимым запасом энергии.

Опубликован в газете «Московский комсомолец» №28570 от 1 июля 2021

Заголовок в газете:
Водородное будущее России

Норвежская команда открыла более дешевый способ производства водородного топлива

Опубликовано
23 августа 2019 г. , 13:58, автор:

Новости Близнецов

[Георг Матисен]

Норвежские ученые разработали материал, который может производить водород из водяного пара вместо жидкой воды.Это окупается, ведь тепло дешевле электричества.

Результаты исследования были недавно опубликованы в Nature Materials в статье под названием «Двойные перовскитовые аноды со смешанной протонной и электронной проводимостью для стабильных и эффективных трубчатых протонных керамических электролизеров».

Водород может вступить во владение, когда батареи больше не могут выполнять свою работу. Когда важно хранить большое количество энергии, например, больше, чем нужно для вождения автомобиля в течение нескольких часов, становится дешевле и эффективнее хранить ее в виде водорода.

Проще говоря, вы используете энергию для расщепления воды на водород и кислород. Когда вам нужно производить энергию, вы обращаете весь процесс вспять, повторно вводя водород и производя энергию и воду.

«Наиболее часто применяемый метод для этого остается тем же, что применялся на водородном заводе «Ваннштоффен» на электростанции Веморк в Телемарке столетие назад», — объясняют Эйнар Фёллестад и Рагнар Страндбакке. Фёллестад — научный сотрудник SINTEF. Промышленность и Страндбакке — докторант Центра материаловедения и нанотехнологий Университета Осло.

Низкотемпературный электролиз

Речь идет о низкотемпературном электролизе. Метод стал лучше, дешевле и эффективнее, но по-прежнему требует много энергии.

«В течение многих лет практически ничего не происходило, потому что производство водорода из природного газа было настолько дешевым, а также потому, что изменение климата не было проблемой, которую нужно было принимать во внимание», — говорит Фёллестад. «Теперь, когда мы уделяем больше внимания возобновляемым источникам энергии , внимание усилилось. »

Возобновляемая энергия означает большее колебание цен. Объемы доступной солнечной, ветровой и волновой энергии меняются в течение года. По этой причине более важно хранить энергию, вырабатываемую в дни пиковой выработки, и использовать ее, когда потребность превышает выработку.

Воллестад и Страндбакке в настоящее время работают над проектом ЕС, включающим исследовательские эксперименты при совершенно разных температурах. Они используют пар вместо жидкой воды для производства водорода.

«Тепло способствует реакции, и при более высоких температурах каталитическая активность намного выше», — говорят исследователи. Это означает, что для запуска реакции требуется меньше электроэнергии, что делает генерируемый водород более конкурентоспособным на рынке». Тепло намного дешевле, чем электричество», – говорит Воллестад.

Избегайте благородных металлов

«Работа при более высоких температурах дает дополнительные преимущества, — говорит Фёллестад. «Не обязательно использовать благородные металлы».

Дело в том, что следующее поколение низкотемпературных электролизеров (аппаратов, в которых происходит электролиз) требует платины и других дорогих благородных металлов, чтобы сделать деление воды эффективным. «При более высоких температурах и большей каталитической активности нам больше не нужны эти дорогие материалы для завершения реакции», — говорит он.

«Изготовить такую ​​трубу, наверное, не дешевле, чем аккумулятор.Но вам нужна только одна труба, чтобы генерировать такое же количество энергии, которое потребовало бы несколько батарей. По сравнению с батареями наш процесс потребляет гораздо меньшие объемы сырья по отношению к количеству хранимой энергии», — говорит исследователь SINTEF Эйнар Фёллестад.

Проблема заключалась в том, чтобы найти материалы, способные удовлетворить строгие требования, возникающие при температуре пара, достигающей 600 градусов. Здесь на сцену выходят материаловеды Фёллестад и Страндбакке. Они начали со списка из 120 материалов, которые, по их мнению, могли бы подойти для различных аспектов процесса.

«Лучшие материалы для этой реакции, т. е. те, которые мы считали лучшими, не выдерживают воздействия пара при таких температурах», — говорит Фёллестад. «Мы использовали материал, эффективность которого мы знали, но заметили, что он не выдерживает давления пара. Поэтому мы, наконец, решили выбрать этот материал и немного изменить химию», — говорит он.

Увеличенная шкала

Теперь у них есть первый электролизер, который эффективно работает с использованием пара под давлением и который можно масштабировать для использования в промышленных процессах. Однако недостаточно просто продемонстрировать это в небольшой лаборатории. Если исследования должны применяться на практике, должна быть возможность запустить процесс в более крупных масштабах.

«Мы изготовили трубы, которые будут использоваться, что сделало систему полностью масштабируемой», — говорит Воллестад.

Конечным преимуществом является то, что использование такого типа технологии и конструкции означает, что образующийся водород абсолютно сухой. Все другие электролитические процессы производят водород, загрязненный водой или другими молекулами. Их необходимо отделить, прежде чем водород можно будет хранить под давлением. Это не очень сложный процесс, но дополнительная работа означает, что установки должны быть больше.

Материал, который они используют, состоит из бария, лантана, гадолиния, кобальта и кислорода, и исследователи назвали его BGLC.

«Что мы сделали, так это заменили часть бария в исходном материале большим количеством лантана с простой целью сделать его более основным», — говорит Фёллестад.

Дешевле, чем батарейки…

Все это звучит дорого, но на самом деле с экономической точки зрения все в порядке.

«Изготовить такую ​​трубу, наверное, не дешевле, чем аккумулятор. Но вам нужна только одна труба, чтобы генерировать такое же количество энергии, которое потребовало бы несколько батарей», — объясняет Воллестад.

Если мы рассмотрим трубу и батарею, хранящую одинаковое количество электроэнергии в течение одного часа, батарея будет дешевле. Но если вы хотите хранить такое же количество электроэнергии в течение 24 часов, вам понадобится 24 батареи. Выбирая водород, вам по-прежнему требуется только одна труба. Вы просто продолжаете заполнять свой накопительный бак или, при необходимости, получаете бак большего размера.

«По сравнению с батареями наш процесс требует гораздо меньших объемов сырья по отношению к количеству хранимой энергии», — говорит Воллестад.

Он считает водород хорошим вариантом, особенно в транспортном и промышленном секторах. В транспортном секторе водород подходит для перевозки на большие расстояния тяжелыми транспортными средствами, такими как поезда, корабли и грузовики. В промышленном секторе Vøllestad уделяет особое внимание производству стали, где в производственном процессе требуется большое количество тепла. Это тепло, которое можно использовать для нагрева воды для электролиза.

… в долгосрочной перспективе

Следующим шагом является перевод производственного процесса на коммерческую основу.Компания CoorsTek Membrane Sciences, которая участвует в проекте в качестве отраслевого партнера, прекрасно понимает, что это не произойдет в одночасье.

«Сроки разработки почти всех технологий, связанных с энергетикой, велики, — говорит Пер Вестре, управляющий директор CoorsTek в Норвегии. — Между изобретением литий-ионного аккумулятора и его нынешним применением в миллионах автомобилей прошло много лет. .»

«Наша разработка керамических мембран для электрохимических процессов является долгосрочным проектом.Нет сомнений в том, что рынок существует и что паровой электролиз будет интересен, если нам удастся усовершенствовать технологию по правильной цене», — говорит Вестре.

Исследование следующего вызова

«Осталось еще много шагов, которые необходимо оптимизировать и развивать дальше, — вмешивается Воллестад. — Метод производства должен быть модернизирован, и мы должны продемонстрировать стабильность с течением времени. часов, но в промышленных масштабах вам придется построить систему, состоящую из ста, тысячи или, может быть, десяти тысяч труб.»

Работа идет полным ходом. Исследование, результатом которого стал материал BGLC, теперь опубликовано в июньском выпуске журнала Nature Materials. Публикация в таком престижном журнале требует времени, и работа значительно продвинулась с момента подачи статьи.

«Сейчас уже восемнадцать месяцев мы работаем над новым проектом ЕС, в рамках которого мы работаем над решением множества новых задач», — говорят Фёллестад и Страндбакке.

Эта статья любезно предоставлена ​​Gemini Research News, и ее оригинал можно найти здесь.

Мнения, выраженные здесь, принадлежат автору и не обязательно принадлежат The Maritime Executive.

Водород из воды — 3 метода производства

Получение водорода из воды — одна из самых актуальных и быстро развивающихся областей в мире возобновляемых источников энергии.

Однако основные методы производства водорода в своей основе остались прежними, и теперь все инновации основаны на тех же старых принципах.

1. Электролиз

Электролиз — это техническое название использования электричества для расщепления воды на составные элементы, водород и кислород. Расщепление воды происходит при пропускании электрического тока через воду. Электричество входит в воду через катод, отрицательно заряженный вывод, проходит через воду и существует через анод, положительно заряженный вывод. Водород собирается на катоде, а кислород — на аноде. Электролиз производит очень чистый водород из воды для использования в электронной, фармацевтической и пищевой промышленности.

По сравнению с паровым риформингом электролиз очень дорог. Затраты электроэнергии, необходимые для разделения воды на водород и кислород, составляют около 80% стоимости производства водорода. Потенциально электролиз в сочетании с возобновляемым источником энергии может обеспечить полностью чистый и возобновляемый источник энергии. В других обстоятельствах электролиз может сочетаться с гидроэлектростанцией или электричеством в непиковые часы, чтобы снизить стоимость электролиза.

2. Фотоэлектролиз

Фотоэлектролиз, известный в некоторых кругах как святой Грааль водорода, представляет собой прямое преобразование солнечного света в электричество.Фотогальваника, полупроводники и электролизер объединены для создания устройства, которое генерирует водорода из воды . Фотоэлектролизер помещается в воду и под воздействием солнечного света начинает выделять водород. Комбинация фотогальваники и полупроводника позволяет генерировать из солнечного света достаточно электричества для питания электролизера. Затем водород собирают и хранят. Большая часть исследований в этой области проводится в Голдене, штат Колорадо, в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии.

3. Фотобиологический

Фотобиологическое производство водорода включает использование солнечного света, биологического компонента, катализаторов и инженерной системы. Определенные организмы, водоросли и бактерии, производят водород как побочный продукт своих метаболических процессов. Эти организмы обычно живут в водной среде и поэтому извлекают водород из воды , используя свои биологические функции.

В настоящее время эта технология все еще находится на стадии исследований и разработок, и теоретическая эффективность преобразования солнечного света оценивается в 24%.Было идентифицировано более 400 штаммов примитивных растений, способных производить водород, 25 из которых впечатляюще достигли эффективности преобразования окиси углерода в водород на уровне 100%.

В одном примере исследователи обнаружили, что водоросль Chlamydomonas reinhardtii обладает ферментом под названием гидрогеназа, который способен расщеплять воду на составные части водорода и кислорода. Исследователи определили механизм запуска и остановки этого процесса, который может привести к почти безграничному методу производства чистого возобновляемого водорода.

Водоросли нуждаются в сере для роста и фотосинтеза. Ученые обнаружили, что когда они лишали водоросли серы в бескислородной среде, водоросли возвращались к режиму использования гидрогеназы. Этот механизм производства водорода из воды разрабатывался в течение миллионов лет эволюции для выживания в среде, богатой и бескислородной. Однажды в этом цикле водоросли выделили водород, а не кислород. Необходимы дальнейшие исследования для повышения эффективности инженерных систем завода, методов сбора и затрат на производство водорода.

(Посетили 24 017 раз, сегодня посетили 1 раз)

Новый метод более эффективного извлечения водорода из воды для получения возобновляемой энергии

Кристаллическая структура и полиэдры {MoTe}6, показывающие строительные блоки каждого полиморфа. моноклинная фаза 1T’-MoTe2 и b гексагональная фаза 2H-MoTe2. Кредит: Nature Communications 10.1038/s41467-019-12831-0

Ученые говорят, что новый метод более эффективного извлечения водорода из воды может способствовать получению возобновляемой энергии в виде устойчивого топлива.

В новой статье, опубликованной сегодня в журнале Nature Communications , исследователи из университетов Великобритании, Португалии, Германии и Венгрии описывают, как импульсный электрический ток через слоистый катализатор позволил им почти удвоить количество водорода, производимого за один раз. милливольт электричества, используемого в процессе.

Электролиз, процесс, который, вероятно, знаком всем, кто изучал химию в средней школе, использует электрический ток для разрыва связей между атомами водорода и кислорода в воде, высвобождая газообразный водород и кислород.Если электрический ток для процесса электролиза вырабатывается за счет возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра или солнца, весь процесс не выбрасывает дополнительного углерода в атмосферу, что не способствует изменению климата. Затем газообразный водород можно использовать в качестве источника топлива с нулевым уровнем выбросов в некоторых видах транспорта, таких как автобусы и автомобили, или для отопления домов.

Исследования группы были сосредоточены на поиске более эффективного способа производства водорода с помощью электрокаталитической реакции расщепления воды.Они обнаружили, что электроды, покрытые катализатором из теллурида молибдена, показали увеличение количества газообразного водорода, образующегося во время электролиза, когда применялась определенная схема сильноточных импульсов. Оптимизируя импульсы тока через кислый электролит, они смогли уменьшить количество энергии, необходимой для производства заданного количества водорода, почти на 50%.

Исследовательской группой руководил доктор Алексей Ганин из Школы химии Университета Глазго. Д-р Ганин сказал: «В настоящее время Великобритания удовлетворяет около трети своих потребностей в производстве энергии за счет возобновляемых источников, а в Шотландии этот показатель составляет около 80%.

«Эксперты предсказывают, что мы скоро достигнем точки, когда мы будем производить больше возобновляемой электроэнергии, чем требуется для нашего потребления. Однако в настоящее время излишки вырабатываемой энергии должны использоваться по мере ее производства, иначе она будет потрачена впустую. Крайне важно, чтобы мы разработали надежный набор методов для хранения энергии для последующего использования.

«Батарейки — один из способов сделать это, но водород — очень многообещающая альтернатива. Наше исследование дает новый важный взгляд на более эффективное и экономичное производство водорода путем электролиза, и мы стремимся продолжить это многообещающее направление исследований.»

Поскольку уровень каталитического усиления контролируется электрическими токами, последние достижения в области машинного обучения можно использовать для точной настройки правильной последовательности применяемых токов для достижения максимальной производительности. Следующим этапом для команды является разработка протокола искусственного интеллекта для замены человеческого участия в поиске наиболее эффективного использования электронных структур в аналогичных каталитических процессах.

Статья под названием «Быстрая электрохимическая активация MoTe2 для реакции выделения водорода» опубликована в Nature Communications.


Новый катализатор превосходит платину в производстве водорода


Дополнительная информация:
Быстрая электрохимическая активация MoTe2 для реакции выделения водорода, Nature Communications doi.org/10.1038/s41467-019-12831-0, www.nature.com/articles/s41467-019-12831-0

Предоставлено
Университет Глазго

Цитата :
Новый метод более эффективного извлечения водорода из воды для получения возобновляемой энергии (2019, 29 октября)
получено 8 марта 2022 г.
с https://физ.org/news/2019-10-method-hydrogen-efficiently-capture-renewable.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Новая технология разделения воды для получения чистого водорода

Фотография исследователей, на которой изображены (слева направо): д-р.Хен Дотан, Эвигейл Ландман, профессор Авнер Ротшильд, профессор Гидеон Грейдер. Фото: Чен Галили, официальный представитель Техниона.

Электролитическое производство водорода предполагает получение водорода из воды с использованием электроэнергии, которая в идеале должна поступать из возобновляемых источников энергии, таких как солнечный свет и ветер. Хотя этот метод производства водорода может быть очень многообещающим решением для повышения устойчивости, исследователям придется преодолеть несколько ключевых проблем, чтобы он получил широкое распространение.

В недавнем исследовании, представленном в Nature Energy , группа исследователей из Израильского Техниона Технологического Института рассмотрела некоторые из этих проблем, представив новый метод расщепления воды, который может усовершенствовать существующие методы производства электролитического водорода. Их исследование черпает вдохновение из одного из их предыдущих исследований фотоэлектрохимического (PEC) расщепления воды, в котором они пытались объединить солнечную энергию и (фото)электролиз воды для получения водорода из солнечного света и воды.

Одной из самых больших проблем, описанных в этой предыдущей работе, был сбор газообразного водорода из миллионов ячеек PEC, распределенных в солнечном поле. В своем исследовании исследователи из Техниона попытались разработать метод, который мог бы эффективно решить эту проблему.

«Взяв фотогальванические (PV) солнечные электростанции в качестве базового сценария, солнечная ферма состоит из миллионов отдельных фотоэлектрических элементов, где ток (и напряжение) собирается от каждого из них в металлическую сетку», — Авнер Ротшильд. , — рассказал TechXplore один из исследователей, проводивших исследование.«Это легко с электричеством, но не так с газообразным водородом».

В идеальной солнечной электростанции PEC будущего фотоэлементы будут заменены элементами PEC, которые могут производить водород в компоненте, известном как катодное отделение, и кислород в отдельной камере, называемой анодным отделением. Эти два отсека должны быть разделены хотя бы мембраной, чтобы водород и кислород не смешивались, так как это может привести к взрыву. Кроме того, газообразный водород должен собираться из каждой отдельной ячейки.

Создание этой установки до сих пор оказалось технически сложным и дорогим, так как требует очень дорогого трубопроводного коллектора. В конечном итоге это сделало нереалистичной реализацию решений по крупномасштабному производству водорода путем расщепления воды ПЭК.

«Мы искали выход из этой сложной ситуации и пришли к идее разделить кислородный и водородный отсеки в ячейке PEC на две отдельные ячейки, чтобы кислород вырабатывался в солнечном поле и выбрасывался в атмосферу, тогда как водород вырабатывается в центральном реакторе в углу поля», — сказал Ротшильд.«Разделение на две ячейки стало возможным благодаря вставке другого набора из двух электродов, называемых вспомогательными электродами, которые заряжаются и разряжаются одновременно ионами ОН , участвующими в реакции расщепления воды, тем самым опосредуя ионный обмен между двумя ячеек (что необходимо для замыкания электрической цепи)».

В своей предыдущей статье, опубликованной в журнале Nature Materials , Ротшильд и его коллеги представили революционный новый подход к архитектуре электролиза воды (электролизеры) и фотоэлектролиза (PEC).Этот многообещающий подход, однако, создал еще одну проблему регенерации вспомогательных электродов, когда они насыщаются в конце производственного цикла. Исследователи предположили, что электроды можно менять местами в конце каждого цикла, но это было бы довольно обременительно, поэтому они продолжили поиск альтернативных решений.

«Затем мы обнаружили, что когда вы нагреваете вспомогательный электрод в водородной ячейке, после того, как он был заряжен (чтобы стать NiOOH), он самопроизвольно выпускает пузырьки газообразного кислорода и восстанавливается до своего исходного состояния (Ni(OH) 2 )». — сказал Ротшильд.«Это открытие привело к разработке процесса разделения воды E-TAC, который представлен в настоящей работе».

E-TAC, новый метод разделения воды, предложенный Ротшильдом и его коллегами, имеет высокую энергоэффективность 98,7 %, следовательно, он значительно превосходит обычные электролизеры, которые обычно имеют энергетическую эффективность от 70 до 80 %. -современные устройства. Еще одним преимуществом E-TAC является то, что он производит водород и кислород последовательно, в то время как в большинстве других электролизеров они производятся одновременно.В конечном итоге это устраняет необходимость в мембране, разделяющей газообразные водород и кислород, что значительно упрощает конструкцию и сборку элементов, а также их эксплуатацию и техническое обслуживание.

«Потенциально это может привести к значительной экономии капитальных и эксплуатационных затрат, что приведет к разработке экономичной технологии разделения воды, которая может конкурировать с SMR (паровой конверсией метана), предлагая дешевый водород без выбросов CO 2 , при условии, что электричество поступает из возобновляемых источников, таких как гидроэнергетика, солнечная или ветровая энергия», — сказал Ротшильд.

При обычном электролизе воды водород и кислород всегда образуются одновременно в катодном и анодном отделениях соответственно. Отсеки расположены как можно ближе друг к другу для минимизации электрических омических потерь и разделены мембраной во избежание образования взрывоопасной смеси H 2 /O 2 .

«Катод восстанавливает воду, генерируя водород (молекулы H 2 ) и ионы гидроксида (OH ) посредством реакции, известной как HER (реакция выделения водорода)», — сказал Ротшильд.»Ионы ОН мигрируют к аноду через электролит и через мембрану, где они окисляются посредством ОВР (реакции выделения кислорода). Вместе эти две реакции (ГВР и ОВР) завершают реакцию расщепления воды: 2Н 2 О 2Н 2 + О 2 ».

При обычном электролизе воды две электрохимические реакции, описанные Ротшильдом, связаны как во времени, так и в пространстве, поскольку они происходят одновременно, в одной и той же ячейке и в непосредственной близости.Более того, эти характеристики одинаковы независимо от того, применяется ли процесс к щелочным электролизерам или электролизерам с ПОМ.

Изображение, показывающее разницу между традиционным подходом к расщеплению воды (щелочной электролиз) и методом разделения воды E-TAC, предложенным исследователями. Кредит: Дотан и др.

В отличие от этого традиционного подхода к электролизу воды, процесс разделения воды, разработанный исследователями, разделяет реакции HER и OER, которые вместо этого происходят в разное время и потенциально в разных частях устройства.Таким образом, вместо того, чтобы быть непрерывным, E-TAC можно описать как «периодический процесс» с двумя циклами, первый из которых генерирует водород электрохимически, а второй — кислород посредством спонтанной химической реакции.

«Мы помещаем катод (тот же самый катод, который используется в щелочном электролизе) и анод (который отличается от анода в обычном электролизе) в электролитическую ячейку и пропускаем ток между ними», — сказал Ротшильд. «Катод генерирует водород в результате реакции HER, как и в случае обычного электролиза воды, но анод делает совершенно другое.Анод в основном заряжается за счет поглощения ионов OH , которые образуются на катоде, и постепенно превращаются из Ni(OH) 2 (гидроксид никеля) в NiOOH (оксигидроксид никеля)».

Интересно, что реакция, происходящая на аноде, аналогична той, которая происходит на катоде щелочных батарей (например, Ni-MH батарей) во время их зарядки. Это говорит о том, что он может хорошо работать в течение многих циклов, как и щелочные батареи.

Однако иногда зарядка анода в процессе E-TAC должна быть прервана, потому что, если он будет перезаряжен, он может начать генерировать кислород.Поэтому, когда заряд превышает определенный уровень, исследователям необходимо ограничить напряжение, подаваемое на ячейки, чтобы избежать возможных взрывов, возникающих в результате совместного производства кислорода и водорода.

«Чтобы продолжить процесс E-TAC, нам необходимо регенерировать заряженный анод (NiOOH) обратно в исходное состояние (Ni(OH) 2 )», — объяснил Ротшильд. «Мы делаем это, повышая его температуру, тем самым увеличивая скорость спонтанной химической реакции между заряженным анодом и водой, которая высвобождает кислород и регенерирует анод обратно в исходное состояние. »

Техника, разработанная Ротшильдом и его коллегами, таким образом, предполагает использование тепла для управления химической реакцией, в результате которой образуется кислород, поскольку скорость реакции замедляется при низких температурах и увеличивается при высоких температурах. Генерация водорода происходит при низкой температуре или температуре окружающей среды, а генерация кислорода – при высоких температурах около 95 градусов Цельсия. Вот почему исследователи решили назвать его процессом E-TAC, что означает электрохимически-термически активированный химический процесс.

«В лабораторных испытаниях для проверки концепции, представленных в нашей статье, мы вручную перемещали анод из холодной камеры (т. е. стеклянного стакана, наполненного щелочным водным раствором при температуре окружающей среды) в горячую камеру (т. , но нагретый до 95 градусов Цельсия), так что разделение между генерацией водорода и кислорода было не только вовремя, но и на месте», — пояснил Ротшильд. «Однако в реальной промышленной системе мы предвидим другой сценарий, при котором два электрода (анод и катод) и неподвижны (не движутся), тогда как ячейка, в которой они находятся, последовательно заполняется холодными или горячими растворами электролита.»

Разделение производства водорода и кислорода, которое устраняет необходимость в мембране, разделяющей две разные камеры внутри электролитических ячеек, приводит к значительной экономии по сравнению с традиционными подходами к электролизу. На самом деле герметизация мембраны, как правило, является дорогостоящей, а также усложняет общий производственный процесс. Мембрана в обычных системах требует воды высокой чистоты и постоянного обслуживания, в которых нет необходимости в E-TAC.

Кроме того, метод, разработанный Ротшильдом и его коллегами, полностью исключает риск летучих столкновений между кислородом и водородом, а также последующих взрывов.С другой стороны, в традиционных системах этот риск все еще присутствует, поскольку мембрана может порваться или ее уплотнение может сломаться.

«В настоящее время использование мембран также ограничивает давление при производстве водорода», — сказал Ротшильд. «E-TAC делает мембрану ненужной, что облегчает производство водорода при гораздо более высоком давлении и устраняет некоторые из высоких затрат на позднее сжатие водорода. Более того, в новом предложенном нами процессе кислород производится в результате самопроизвольной химической реакции между анод и вода, без использования электрического тока.Эта реакция устраняет потребность в электричестве во время производства кислорода и увеличивает энергетическую эффективность с 70-80% при использовании обычных методов до беспрецедентных 98,7%».

Техника, разработанная Ротшильдом и его коллегами, может снизить эксплуатационные расходы на устойчивое производство водорода и затраты на оборудование. Исследователи подсчитали, что затраты на производство оборудования на основе E-TAC будут примерно в два раза ниже, чем на существующие технологии.

«Изобретенный нами процесс представляет собой концептуальный прорыв в разделении воды, и, учитывая преимущества, которые он предлагает, он может изменить правила игры и привести к новой технологии производства водорода из воды без выбросов CO 2 , которая может конкурировать с SMR в производстве чистого водорода и обеспечить переход от ископаемого топлива к чистому водородному топливу», — сказал Ротшильд.

После того, как они закончили писать свою статью, исследователи из Техниона запатентовали свое изобретение и основали стартап под названием H 2 Pro с миссией разработки и распространения новой технологии разделения воды, основанной на методе E-TAC. Они надеются вскоре коммерциализировать эту технологию, увеличив электроды и ячейки, используемые в их исследовании, сконструировав и испытав генераторы водорода на основе процесса разделения воды E-TAC, оптимизировав схему их работы и изучив производство водорода под высоким давлением.

«Мы также планируем провести дальнейшие академические исследования для изучения новых электродных материалов и применения передовых аналитических методов для понимания корреляции между составом электрода и микроструктурой и его функциональными свойствами, чтобы разработать следующее поколение Ni(OH) 2 на основе электродов для нашего процесса разделения воды E-TAC», — сказал Ротшильд. «Наша цель — повысить их производительность (чтобы мы могли запускать более длительные процессы) за счет быстрой зарядки и регенерации, чтобы обеспечить высокую скорость производства водорода. »


Исследователи совершили прорыв в процессе производства водородного топлива


Дополнительная информация:
Разделение выделения водорода и кислорода с помощью двухэтапного электрохимико-химического цикла для эффективного общего разделения воды. Энергия природы , DOI: 10.1038/s41560-019-0462-7

Авигейл Ландман и др. Фотоэлектрохимическое разделение воды в отдельных кислородных и водородных ячейках, Nature Materials (2017). DOI: 10.1038/nmat4876

© 2019 Наука Х Сеть

Цитата :
Новый метод разделения воды для получения чистого водорода (2 октября 2019 г. )
получено 8 марта 2022 г.
с https://techxplore.com.com/news/2019-09-water-splitting-technique-hydrogen.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Итак, что такое зеленый водород?

Компании и отраслевые группы часто объединяются для продвижения своей продукции.Гораздо более необычным был шаг, предпринятый в прошлом месяце 10 крупными европейскими энергетическими компаниями и двумя ведущими организациями отрасли возобновляемой энергии на континенте, которые объединились, чтобы запустить кампанию, рекламирующую продукт, который ни одна из них на самом деле не продает.

Этот продукт представляет собой возобновляемый или «зеленый» водород. И хотя сегодня это не является главной задачей этих компаний (Enel, EDP, BayWa и других) или отраслевых групп (SolarPower Europe и WindEurope), все они видят, что зеленый водород играет жизненно важную роль в достижении глубокой декарбонизации энергетической системы.

Интерес к зеленому водороду среди крупных нефтегазовых компаний стремительно растет. Европа планирует сделать водород важной частью своего пакета «Зеленого соглашения» на триллион долларов, при этом ожидается, что в июле будет опубликована общеевропейская стратегия зеленого водорода.

«Мы не можем электрифицировать все, — сказал генеральный директор WindEurope Джайлс Диксон. «Некоторые промышленные процессы и тяжелый транспорт должны будут работать на газе. А возобновляемый водород — лучший газ. Он абсолютно чистый. Это будет доступно, поскольку возобновляемые источники энергии сейчас так дешевы.

Что такое зеленый водород? Знакомство с цветовой палитрой водорода

Бесцветный газ обозначается очень красочно.

Согласно номенклатуре, используемой исследовательской фирмой Wood Mackenzie, большая часть газа, который уже широко используется в качестве промышленного химиката, имеет либо коричневый цвет, если он получен путем газификации угля или лигнита; или серый, если он производится путем конверсии метана с водяным паром, при котором в качестве исходного сырья обычно используется природный газ.Ни один из этих процессов не является углеродно-дружественным.

Предполагаемый более чистый вариант известен как голубой водород, при котором газ производится путем конверсии метана с водяным паром, но выбросы сокращаются за счет улавливания и хранения углерода. Этот процесс может примерно вдвое сократить количество производимого углерода, но он все еще далек от полного отсутствия выбросов.

Зеленый водород, напротив, может почти полностью устранить выбросы за счет использования возобновляемой энергии — все более распространенной и часто вырабатываемой не в идеальное время – для электролиза воды.

Недавнее дополнение к палитре производства водорода — бирюзовый. Его получают путем расщепления метана на водород и твердый углерод с помощью процесса, называемого пиролизом. Бирюзовый водород может показаться относительно низким с точки зрения выбросов, потому что углерод можно либо закопать, либо использовать для промышленных процессов, таких как производство стали или аккумуляторов, поэтому он не попадает в атмосферу.

Тем не менее, недавние исследования показывают, что бирюзовый водород на самом деле, вероятно, не более свободен от углерода, чем голубой сорт, из-за выбросов природного газа и необходимого технологического тепла.

Как вы делаете зеленый водород?

При электролизе все, что вам нужно для производства большого количества водорода, — это вода, большой электролизер и обильные запасы электроэнергии.

Если электричество поступает из возобновляемых источников, таких как ветер, солнце или гидроэнергия, то водород является экологически чистым; единственные выбросы углерода связаны с генерирующей инфраструктурой.

Проблема сейчас заключается в том, что больших электролизеров не хватает, а обильные запасы возобновляемой электроэнергии по-прежнему обходятся дорого.

По сравнению с более устоявшимися производственными процессами электролиз очень дорог, поэтому рынок электролизеров был небольшим.

И хотя производство возобновляемой энергии в настоящее время достаточно велико, чтобы вызвать утиные кривые в Калифорнии и проблемы с электросетями в Германии, перепроизводство появилось относительно недавно. Большинству энергетических рынков по-прежнему требуется большое количество возобновляемых источников энергии только для обслуживания сети.

Как вы храните и используете эти вещи?

Теоретически с зеленым водородом можно делать много полезных вещей.Вы можете добавить его к природному газу и сжечь на теплоэлектростанциях или тепловых электростанциях. Вы можете использовать его в качестве прекурсора для других энергоносителей, от аммиака до синтетических углеводородов, или, например, для непосредственного питания топливных элементов в автомобилях и кораблях.

Во-первых, вы можете использовать его просто для замены промышленного водорода, который ежегодно производится из природного газа и который составляет около 10 миллионов метрических тонн только в США.

Основная проблема с удовлетворением всех этих потенциальных рынков заключается в доставке зеленого водорода туда, где он необходим.Хранить и транспортировать легковоспламеняющийся газ непросто; он занимает много места и имеет привычку делать стальные трубы и сварные швы хрупкими и склонными к разрушению.

Из-за этого для транспортировки водорода потребуются специальные трубопроводы, строительство которых, повышение давления или охлаждение газа до жидкого состояния будет дорогостоящим. Последние два процесса являются энергоемкими и еще больше снизят и без того невысокую эффективность «зеленого» водорода (см. ниже).

Почему зеленый водород вдруг стал таким важным?

Одним из путей к почти полной декарбонизации является электрификация всей энергетической системы и использование чистой возобновляемой энергии. Но электрифицировать всю энергетическую систему будет сложно или, по крайней мере, намного дороже, чем сочетание возобновляемой генерации с низкоуглеродным топливом. Зеленый водород является одним из нескольких потенциальных видов топлива с низким содержанием углерода, которые могут заменить сегодняшние ископаемые углеводороды.

Следует признать, что водород далеко не идеален в качестве топлива. Его низкая плотность затрудняет хранение и перемещение. И его воспламеняемость может быть проблемой, как показал взрыв на норвежской водородной заправочной станции в июне 2019 года.

Но и у других видов топлива с низким содержанием углерода есть проблемы, не в последнюю очередь из-за стоимости. И поскольку для большинства из них в качестве прекурсора требуется производство зеленого водорода, почему бы просто не придерживаться исходного продукта?

Сторонники указывают, что водород уже широко используется в промышленности, поэтому технические проблемы, связанные с хранением и транспортировкой, вряд ли будут непреодолимыми. Кроме того, газ потенциально очень универсален и может применяться в различных областях, от отопления и долговременного хранения энергии до транспорта.

Возможность применения зеленого водорода в самых разных секторах означает, что существует соответственно большое количество компаний, которые могут извлечь выгоду из растущей экономии водородного топлива. Из них, возможно, наиболее значительными являются нефтегазовые компании, которые все чаще сталкиваются с призывами сократить добычу ископаемого топлива.

Несколько крупных нефтяных компаний входят в число игроков, борющихся за поул-позицию в разработке зеленого водорода. Shell Nederland, например, подтвердила в мае, что она объединила усилия с энергетической компанией Eneco, чтобы участвовать в тендере на участие в последнем голландском тендере по морской ветроэнергетике, чтобы она могла создать рекордный водородный кластер в Нидерландах.Несколько дней спустя компания Lightsource, разработчик солнечной энергии BP, сообщила, что обдумывает разработку австралийской установки по производству экологически чистого водорода, работающей на 1,5 гигаватт ветровой и солнечной энергии.

Интерес Большой Нефти к зеленому водороду может иметь решающее значение для доведения топлива до коммерческой жизнеспособности. Сокращение затрат на производство зеленого водорода потребует огромных инвестиций и огромных масштабов, что нефтяные компании имеют уникальную возможность предоставить.

Сколько стоит производство зеленого водорода?

Зеленый водород сегодня все еще дорого производить.В отчете, опубликованном в прошлом году (с использованием данных за 2018 год), Международное энергетическое агентство указало стоимость зеленого водорода от 3 до 7,50 долларов США за килограмм по сравнению с 0,90–3,20 долларов США за производство с использованием паровой конверсии метана.

Снижение стоимости электролизеров будет иметь решающее значение для снижения цены на зеленый водород, но это потребует времени и масштаба. Затраты на электролизеры могут снизиться вдвое к 2040 году, примерно с 840 долларов США за киловатт мощности сегодня, – заявило МЭА в прошлом году.

Экономическое обоснование для зеленого водорода требует очень большого количества дешевой возобновляемой электроэнергии, поскольку значительное количество энергии теряется при электролизе.По данным Shell, эффективность электролизеров колеблется от 60 до 80 процентов. Проблема эффективности усугубляется тем фактом, что во многих приложениях может потребоваться зеленый водород для питания топливного элемента, что приводит к дальнейшим потерям.

Некоторые наблюдатели предполагают, что производство экологически чистого водорода может сократить избыточные мощности возобновляемых источников энергии в крупных производственных центрах, таких как морские ветряные электростанции в Европе. Однако, учитывая все еще высокую стоимость электролизеров, сомнительно, что разработчики проектов зеленого водорода захотят оставить свои электролизеры без дела, пока цены на возобновляемые источники энергии не упадут ниже определенного уровня.

Скорее всего, как уже рассматривают Lightsource BP и Shell, разработчики будут строить заводы по производству зеленого водорода со специальными активами по производству возобновляемой энергии в местах с высоким уровнем ресурсов.

Сколько зеленого водорода производится?

По большому счету, немного. По данным Wood Mackenzie, в настоящее время на зеленый водород приходится менее 1 процента от общего годового производства водорода.

Но WoodMac прогнозирует бум производства в ближайшие годы.За пять месяцев, предшествовавших апрелю 2020 года, проект зеленых электролизеров водорода почти утроился, до 8,2 гигаватт. Всплеск был в основном вызван увеличением крупномасштабного развертывания электролизеров, при этом 17 проектов должны были иметь мощность 100 мегаватт или более.

И дело не только в том, что разрабатываются новые проекты. По словам WoodMac, к 2027 году средний размер систем электролизеров, вероятно, превысит 600 мегаватт.

Кто возглавляет разработку зеленого водорода?

Зеленый водород, кажется, сейчас у всех на уме, и по крайней мере 10 стран рассматривают газ для будущей энергетической безопасности и возможного экспорта.Последней страной, присоединившейся к победе, стала Португалия, которая в мае обнародовала национальную водородную стратегию на сумму 7 миллиардов евро (7,7 миллиарда долларов) до 2030 года. рынке, а лидер оффшорной ветроэнергетики Ørsted в прошлом месяце раструбил о первом крупном проекте, ориентированном исключительно на транспортный сектор.

Помимо таких громких имен, множество небольших компаний надеется отхватить кусок растущего зеленого водородного пирога.Такие компании, как ITM Power, могут быть не так хорошо известны сегодня, но если зеленый водород оправдает хотя бы часть своих обещаний, однажды он может стать огромным.

А как насчет водородных транспортных средств?

Ах, да. Привлекательная Toyota Mirai подпитывала ранние надежды на то, что автомобили на водородных топливных элементах могут соперничать с электромобилями в борьбе за место двигателей внутреннего сгорания. Но по мере роста рынка электромобилей перспектива того, что водород станет серьезным соперником, исчезла из поля зрения, по крайней мере, в сегменте легковых автомобилей.

Сегодня на дорогах США находится около 7600 автомобилей на водородных топливных элементах по сравнению с 326 400 электромобилей, которые были проданы в США только в прошлом году.

Тем не менее, эксперты по-прежнему ожидают, что водород сыграет роль в обезуглероживании некоторых сегментов транспортных средств, причем вилочные погрузчики и большегрузные грузовики получат наибольшую пользу.

***

Дополнительная литература от Wood Mackenzie, The Future for Green Hydrogen

Дешевое и эффективное извлечение водорода из воды

( Nanowerk News ) Ливерморские ученые Лоуренса разработали метод, который помогает эффективно и дешево извлекать водород из воды.

Водород можно использовать в качестве чистого топлива в топливных элементах, производящих энергию с использованием воды и тепла в качестве единственных побочных продуктов. В качестве топлива с нулевым уровнем выбросов водород может рекомбинироваться с кислородом для производства электроэнергии по запросу, например, на борту автомобиля на топливных элементах.
Ливерморская команда и сотрудники Университета Райса и Государственного университета Сан-Диего обратились к электричеству для производства чистого водородного топлива путем расщепления молекул воды, состоящих из атомов кислорода и водорода.Исследователи обнаружили новый класс дешевых и эффективных катализаторов для облегчения процесса расщепления воды. Исследование опубликовано в выпуске Nature Energy от 31 июля («Самооптимизирующиеся, обладающие высокой поверхностной активностью слоистые катализаторы на основе дихалькогенидов металлов для выделения водорода»).
Пузырьки газообразного водорода выделяются из воды на поверхности электрокатализатора дисульфида тантала. Каталитическая активность в таких слоистых дихалькогенидах металлов обычно ограничена краями, но в этой работе сообщается о новых материалах, которые также могут генерировать водород на поверхности. (Изображение: Райан Чен/LLNL)
«Газообразный водород обладает огромным потенциалом в качестве источника устойчивого топлива, поскольку он не производит выбросов углерода», — сказал ведущий автор Лоуренс Ливермор Брэндон Вуд. «Его можно получить из нескольких источников, но святой Грааль — сделать его из воды». Вуд также является главным исследователем в Консорциуме передовых материалов для расщепления воды HydroGEN Управления по энергоэффективности и возобновляемых источников энергии (EERE) Министерства энергетики, узле сети энергетических материалов, ориентированном на производство водорода из воды.
Извлечение водорода из воды с помощью электричества — довольно простой процесс, но он неэффективен и обычно требует много энергии. Эффективность можно повысить, используя катализаторы, которые часто изготавливаются из дорогих драгоценных металлов, таких как платина.
Команда Лоуренса Ливермора стремилась найти более дешевый способ эффективного разделения молекул воды.
Чтобы решить эту проблему, Вуд и ведущий автор Юанью Лю, стажировавшийся летом в Ливерморе вместе с Вудом, обратились к классу катализаторов на основе дихалькогенидов переходных металлов (MX2), которые вызвали большой интерес для расщепления воды.Проблема с используемыми в настоящее время материалами MX2 (на основе молибдена и вольфрама) заключается в том, что активны только открытые края катализаторов. Вместо этого Вуд, Лю и их коллеги использовали квантово-механические расчеты, чтобы выявить основные электронные факторы, которые сделают все поверхности материалов MX2 активными для катализа. Эти «дескрипторы» затем использовались для компьютерного отбора кандидатов MX2, которые могли бы сделать лучшие катализаторы расщепления воды.
Исследователи из Университета Райса экспериментально подтвердили расчеты, синтезировав и протестировав два из предложенных материалов, дисульфид тантала и дисульфид ниобия.Помимо подтверждения того, что поверхности материалов были активны в отношении расщепления воды, они обнаружили, что материалы обладают необычной способностью оптимизировать свою форму по мере выделения газообразного водорода. Это позволило материалам добиться еще лучших характеристик.
«Самооптимизирующееся поведение и поверхностная активность означают, что высокая производительность может быть достигнута при минимальной загрузке катализатора», — сказал Вуд. «Это огромное преимущество для масштабируемой обработки, поскольку нет необходимости обращаться к дорогостоящим методам, таким как наноструктурирование.Наша работа открывает двери для использования этого типа катализатора, и наш теоретический дескриптор должен упростить оценку водорасщепляющей активности в аналогичных классах слоистых материалов».

Производство водорода – Управление энергетической информации США (EIA)

Как производится водород?

Чтобы получить водород, его необходимо отделить от других элементов в молекулах, в которых он встречается. Существует множество различных источников водорода и способов его производства для использования в качестве топлива.Двумя наиболее распространенными методами производства водорода являются паровая конверсия метана и электролиз (расщепление воды электричеством. Исследователи изучают другие методы производства водорода или пути .

Процессы производства водорода

Источник: Министерство энергетики США, Управление по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии, Пути производства водорода (общественное достояние)

Нажмите, чтобы увеличить

Паро-метановый риформинг — широко используемый метод производства товарного водорода

На паровой конверсию метана в настоящее время приходится почти весь коммерчески производимый водород в Соединенных Штатах.Коммерческие производители водорода и нефтеперерабатывающие заводы используют паровую конверсию метана для отделения атомов водорода от атомов углерода в метане (CH 4 ). При паровой конверсии метана высокотемпературный пар (от 1300°F до 1800°F) под давлением 3–25 бар (1 бар = 14,5 фунтов на квадратный дюйм) реагирует с метаном в присутствии катализатора с образованием водорода, монооксида углерода. , и относительно небольшое количество углекислого газа (CO 2 ).

Природный газ является основным источником метана для производства водорода промышленными предприятиями и нефтеперерабатывающими заводами.Свалочный газ/биогаз, который можно назвать биометаном или возобновляемым природным газом , является источником водорода для нескольких электростанций на топливных элементах в Соединенных Штатах. Биотопливо и нефтяное топливо также являются потенциальными источниками водорода.

Электролиз использует электричество для производства водорода

Электролиз — это процесс выделения водорода из воды с помощью электрического тока. Электролиз обычно используется для демонстрации химических реакций и производства водорода на уроках естествознания в средней школе.В крупном коммерческом масштабе процесс может называться энергия-газ , где мощность это электричество, а водород газ . Электролиз сам по себе не производит никаких побочных продуктов или выбросов, кроме водорода и кислорода. Электричество для электролиза может поступать из возобновляемых источников, ядерной энергии или ископаемого топлива. Если электроэнергия для электролиза производится из ископаемого топлива (угля, природного газа и нефти) или сжигания биомассы, то соответствующие воздействия на окружающую среду и выбросы CO 2 косвенно связаны с этим водородом.

Другие способы получения водорода

  • Использование микробов, использующих свет для получения водорода
  • Преобразование биомассы в газ или жидкость и выделение водорода
  • Использование технологий солнечной энергии для отделения водорода от молекул воды

Категории водорода

Производители водорода, продавцы, государственные учреждения и другие организации могут классифицировать или определять водород в соответствии с источниками энергии для его производства, и они используют цветовой код для классификации водорода.Например, водород, произведенный с использованием возобновляемых источников энергии, может обозначаться как возобновляемый водород или зеленый водород . Водород, полученный из угля, можно назвать коричневым водородом , а водород, полученный из природного газа или нефти, можно назвать серым водородом . Производство коричневого или серого водорода в сочетании с улавливанием и хранением/депонированием углерода можно назвать голубым водородом . Водород, полученный с помощью ядерной энергии, может называться розовым водородом или чистым водородом

.

Последнее обновление: 21 января 2022 г.

.