Apakah pengeluaran hidrogen daripada air laut? Mengapa begitu banyak perhatian? Apakah kesukaran teknikal?

Mengapakah kejayaan ujian perintis pengeluaran hidrogen melalui elektrolisis langsung air laut telah menarik perhatian ramai? Betapa sukarnya itu? Apakah kesukaran teknikal yang perlu diatasi untuk menghasilkan hidrogen melalui elektrolisis air laut?

01

Penghasilan hidrogen daripada air laut

Pengeluaran hidrogen melalui elektrolisis air dianggap sebagai teknologi penyediaan hidrogen hijau yang sangat penting. Pada masa ini, teknologi elektrolisis air yang dikomersialkan menggunakan air tawar sebagai elektrolit. Seperti yang kita sedia maklum, sumber air tawar global amat terhad, dengan penggunaan hidroelektrik berskala besar untuk menghasilkan hidrogen, yang sudah pasti memburukkan lagi kekurangan sumber air tawar. Sebaliknya, air laut kaya dengan sumber, yang menimbulkan idea "pengeluaran hidrogen air laut".

Tidak seperti air tawar, yang menyumbang 96.5 peratus daripada jumlah isipadu air Bumi, air laut mempunyai komposisi kompleks yang melibatkan lebih daripada 90 bahan kimia dan unsur. Sebilangan besar ion, mikroorganisma dan zarah yang terkandung dalam air laut boleh membawa kepada masalah seperti persaingan tindak balas sampingan, penyahaktifan mangkin dan penyumbatan diafragma semasa pengeluaran hidrogen.

Untuk tujuan ini, teknologi pengeluaran hidrogen menggunakan air laut sebagai bahan mentah telah membentuk dua laluan berbeza. Pertama, pengeluaran langsung hidrogen daripada air laut, iaitu, berdasarkan air laut semulajadi, terutamanya dihasilkan oleh elektrolisis atau fotolisis. Kedua, pengeluaran hidrogen tidak langsung air laut adalah untuk menyahsinasi dan membuang kekotoran daripada air laut, menyahsinasi air laut untuk membentuk air tawar berketulenan tinggi dahulu, dan kemudian menghasilkan hidrogen.

02

Dua kelebihan utama

Platform pengeluaran hidrogen luar pesisir boleh digunakan sebagai simpanan tenaga atau tapak pengeluaran jangka panjang untuk bahan kimia halus, membolehkan tenaga hijau disepadukan rapat dengan sistem pengeluaran kimia.

Platform pengeluaran hidrogen luar pesisir boleh menyelesaikan masalah penggunaan elektrik boleh diperbaharui Marin yang meluas, dan penggunaan elektrik boleh diperbaharui untuk menghasilkan hidrogen dan ammonia hijau di tempat kejadian boleh menjadi kaedah aplikasi utama tenaga boleh diperbaharui Marin yang meluas dalam masa hadapan.

03

Kesukaran teknikal

Kesukaran teknikal 1: Banyak kekotoran dalam air laut menjejaskan berlakunya evolusi hidrogen katod

Dalam proses air elektrolitik, H2 dimendakan daripada katod, untuk tindak balas evolusi hidrogen katod, masalah yang paling mencabar ialah terdapat pelbagai kation terlarut dalam air laut semulajadi, seperti Na+, Mg2+, Ca2+, dan lain-lain, sebagai tambahan, terdapat pelbagai bakteria, mikroorganisma dan zarah-zarah kecil.

Kekotoran ini akan menyumbat elektrod dengan kemajuan elektrolisis air laut, dan kemudian meracuni atau mempercepatkan penuaan elektrod/mangkin dalam sistem elektrolitik, mengakibatkan ketahanan yang lemah.

Kesukaran teknikal 2: ion klorida menyebabkan kakisan anodik dan menjejaskan tindak balas evolusi oksigen anodik

Dalam proses elektrolisis air, O2 biasanya dimendakkan daripada anod. Walau bagaimanapun, kehadiran sejumlah besar ion klorida (Cl-) dalam air laut akan menyebabkan hakisan serius bahan anod, yang akan membawa kepada kerosakan elektrod dan voltan tinggi, sekali gus menamatkan tindak balas evolusi oksigen yang cekap. Di samping itu, kepekatan ion klorida yang tinggi juga akan berlaku dalam tindak balas pengoksidaan klorin anod, menduduki tapak aktif mangkin, dengan itu mengurangkan kecekapan tindak balas evolusi oksigen anod.

Kesukaran teknikal 3: Persaingan antara tindak balas evolusi oksigen anodik dan tindak balas pengklorinan oksigen

Dalam proses elektrolisis air laut, anod akan mengalami dua tindak balas iaitu: tindak balas evolusi oksigen (OER) dan tindak balas pengklorinan oksigen (ClOR). Tindak balas evolusi oksigen: 4OH-→O2+H2O+4e-; E0=1.23V (berbanding RHE)

Tindak balas pengoksidaan klorin: Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e-; E0=1.71V (berbanding RHE)

Ia boleh dilihat bahawa E0 daripada kedua-duanya adalah serupa, yang akan menghasilkan hubungan kompetitif, yang sangat mengehadkan voltan kerja elektrolisis. Di samping itu, kedua-dua tindak balas ClOR dan pembentukan hipoklorit adalah tindak balas dua elektron, dan tindak balas ClOR lebih mudah dilakukan secara kinetik daripada tindak balas empat elektron OER, jadi overpotential OER biasanya diperhatikan lebih tinggi daripada ClOR.

04

Status penyelidikan

Pada masa ini, pengeluaran hidrogen daripada air laut masih dalam peringkat awal penyelidikan dan ujian, dan masih menghadapi banyak cabaran, tetapi penyelidikan dan pembangunan pengeluaran hidrogen daripada elektrolisis air laut telah mencapai beberapa kemajuan. Pada tahun 2022, pasukan Ahli Akademik Xie Heping telah membuat penemuan asli yang besar dalam bidang pengeluaran hidrogen langsung daripada air laut, dan secara inovatif mewujudkan prinsip dan teknologi baharu pengeluaran hidrogen langsung daripada air laut tanpa penyahgaraman yang didorong oleh peralihan fasa dan penghijrahan. Terdapat banyak projek demonstrasi pengeluaran hidrogen air laut di dalam dan luar negara, tetapi ia masih merupakan juruterbang berskala kecil, dan kebanyakannya sedang dalam pembinaan atau dicadangkan.

Walaupun pengeluaran hidrogen melalui elektrolisis air laut masih jauh dari ujian kecil dan perintis kepada aplikasi akhir seluruh industri. Walau bagaimanapun, kami percaya bahawa dalam trek tenaga hidrogen peringkat trilion, jika teknologi ini akhirnya digunakan, ia akan meninggalkan dakwat yang paling mendalam di jalan "penyahkarbonan"!