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一种新的水分解技术来产生干净的氢

科技 2019-12-18 16:17:51

电解氢生产需要使用电力从水中产生氢,理想情况下应该来自可再生能源,如阳光和风能。虽然这种生产氢气的方法对于提高可持续性来说是一种很有前途的解决方案,但是为了使它得到广泛应用,研究人员必须克服几个关键的挑战。

在最近发表在《自然能源》杂志上的一项研究中,以色列理工学院的一组研究人员解决了其中的一些挑战,提出了一种分裂水的新技术,可以增强现有的电解制氢方法。他们的研究灵感来自于他们之前的一项关于光电化学(PEC)水分解的研究,在这项研究中,他们试图将太阳能和水(照片)电解结合起来,从阳光和水中产生氢。

在这之前的工作中所概述的最大挑战之一是从太阳能领域中分布的数百万个PEC电池中收集氢气。在他们的研究中,这些以技术为基础的研究人员试图开发一种能够有效应对这一挑战的技术。

“光伏太阳能发电厂为基础的情况下,太阳能农场由数以百万计的个人光伏电池,电流(电压)在哪里收集到每一个成一个金属网格,”阿夫纳罗斯柴尔德,其中一个研究人员进行的这项研究,对TechXplore说。“用电很容易,但氢气就不一样了。”

在未来理想的PEC太阳能工厂中,PV电池将被PEC电池所取代,这种电池可以在称为阴极室的组件中产生氢,在称为阳极室的独立室中产生氧。这两个舱至少应该用一层薄膜隔开,以确保氢和氧不会混合,因为这样会引起爆炸。此外,氢气必须从每个独立的细胞收集。

到目前为止,建立这个装置已经被证明是技术上困难和昂贵的,因为它需要一个非常昂贵的管汇。最终,这使得PEC水裂解大规模制氢方案的实现变得不现实。

“我们寻求出路的挑战,并提出了分离的想法的氧和氢隔间派克细胞成两个独立的细胞,在太阳能领域生成氧气,释放到大气中,而氢生成在一个中央反应堆的一角,”罗斯柴尔德说道。“分离成两个细胞是通过插入另一组的两个电极,称为辅助电极,同时正在充电和放电哦-离子参与水分解反应,从而调节两个细胞之间的离子交换(这是必要关闭电路)。”

在他们之前发表在《自然材料》(Nature Materials)上的论文中,Rothschild和他的同事提出了一种颠覆性的水电解(电解槽)和光解(PEC)架构的新方法。然而,当辅助电极在生产周期结束时饱和时,这种有前途的方法带来了另一个挑战,即再生辅助电极。研究人员建议,电极可以在每个循环结束时更换,但这将是相当麻烦的,所以他们继续探索替代方案。

罗斯柴尔德说:“然后我们发现,当你在氢电池中加热辅助电极,当它被充电(变成NiOOH)后,它会自发地释放出氧气气泡,并重新生成初始状态(Ni(OH)2)。”“这一发现导致了E-TAC水分解过程的发展,这在目前的工作中被提出。”

罗斯柴尔德和他的同事提出的E-TAC是一种新型的水分解技术,它的能源效率高达98.7%,因此大大超过了传统的电解槽,而传统电解槽的能源效率通常在最先进设备的70%到80%之间。E-TAC的另一个优点是,它可以连续地产生氢和氧,而在大多数其他电解槽中,氢和氧是同时产生的。这最终消除了分离氢和氧气体的膜的需要,从而大大简化了细胞的构建和组装,以及它们的操作和维护。

“可能,这可以转化为大储蓄资本和运营成本,导致成本效益的水分解技术的发展,鼻中隔黏膜下切除术后可能与(蒸汽甲烷重整),提供廉价的氢没有二氧化碳排放,提供的电力来自可再生能源,如水力,太阳能或风能,”罗斯柴尔德说道。

在传统的水电解中,氢和氧总是分别在阴极和阳极槽中同时产生。隔室之间尽可能靠近,以减少电欧姆损耗,隔室之间用薄膜隔开,以避免产生爆炸性的H2/O2混合物。

罗斯柴尔德说:“这种阴极可以减少水,通过一种称为HER的反应(析氢反应)生成氢(H2分子)和氢氧根离子(OH-)。”“OH-离子通过电解质和膜迁移到阳极,在那里它们通过OER(析氧反应)被氧化。这两个反应(HER和OER)一起完成了水分解反应:2H2O 2H2 + O2。”

在传统的水电解中,罗斯柴尔德描述的两种电化学反应在时间和空间上都是耦合的,因为它们是同时发生的,在同一个细胞中,而且距离很近。此外,这些特性是相同的,无论该工艺适用于碱性或PEM电解槽。

与这种传统的水电解方法不同,研究人员设计的水分解过程将HER和OER反应解耦,而这两种反应发生在不同的时间,而且可能发生在设备的不同部位。因此,与其说E-TAC是连续的,不如说它是一个有两个循环的“间歇过程”,第一个是通过电化学方法产生氢,第二个是通过自发的化学反应产生氧。

罗斯柴尔德说:“我们将阴极(用于碱性电解的同一个阴极)和阳极(与常规电解的阳极不同)置于电解池中,并在两者之间传递电流。”“阴极通过她的反应产生氢,就像在传统的水电解法中一样,但阳极的作用完全不同。阳极基本上是通过吸收阴极产生的OH-离子来充电,并逐渐从Ni(OH)2 (nickel oxide,氢氧化镍)转变为NiOOH (nickel oxy氢氧镍)。”

有趣的是,当电池充电时,阳极所产生的反应与碱性电池(如镍氢电池)的阴极所产生的反应是相同的。这表明,它可以很好地工作许多周期,就像它在碱性电池。

然而,在E-TAC过程中,有时需要中断阳极的充电,因为如果充电过度,它可能会开始产生氧气。因此,当电荷超过一定水平时,研究人员需要限制施加到电池上的电压,以避免氧和氢的共同产生可能导致的爆炸。

罗斯切尔德解释说:“为了继续E-TAC过程,我们需要重新生成充电阳极(NiOOH),使其恢复到初始状态(Ni(OH)2)。”“我们通过提高它的温度,从而加快带电阳极和水之间的自发化学反应的速度,从而释放出氧气,使阳极恢复到初始状态。”

因此,罗斯柴尔德和他的同事们设计的这项技术需要使用热量来控制产生氧气的化学反应,因为在低温下反应速率减慢,而在高温下则加速。氢的生成是在低温或环境温度下进行的,而氧的生成是在大约95摄氏度的高温下进行的。这就是为什么研究人员决定称它为E-TAC过程,即电化学-热激活化学过程。

“概念验证实验室测试在我们的文章中,我们从寒冷的手动移动阳极单元(即玻璃烧杯装满了碱性水溶液在环境温度)热细胞(即相同类型的烧杯,但加热到95摄氏度),所以分离氢气和氧气生成不仅及时还,”罗斯柴尔德解释道。“然而,在一个真实的工业系统中,我们预见了一个不同的场景,两个电极(正极和负极)是固定的(不动的),而它们所在的电池中依次充满了冷或热的电解质溶液。”

分离氢和氧的生产,这就不需要在电解槽内部的两个不同的腔室之间用薄膜隔开,从而大大节省了传统电解方法的成本。事实上,密封薄膜通常是昂贵的,也复杂的整个生产过程。传统系统中的膜需要高纯度的水和持续的维护,而在E-TAC中这些都是不必要的。

此外,罗斯柴尔德和他的同事设计的技术完全消除了氧和氢之间的挥发性相遇以及由此产生的爆炸的风险。另一方面,在传统的系统中,这种风险仍然存在,因为膜可能撕裂或其密封可能破裂。

罗斯柴尔德说:“目前,膜的使用也限制了制氢的压力。”“E-TAC使膜变得不必要,从而促进在高得多的压力下产生氢气,并消除了以后压缩氢气的一些高成本。此外,在我们提出的新工艺中,氧是通过带电阳极和水之间的自发化学反应产生的,而不需要电流。这种反应消除了氧气生产过程中对电力的需求,并利用传统方法将能量效率从70%提高到80%,达到前所未有的98.7%。”

罗斯柴尔德及其同事开发的这项技术可以降低可持续制氢的运营成本和设备成本。研究人员估计,基于E-TAC的设备的生产成本大约是现有技术的一半。

”这个过程我们发明了光解水制氢研究提出了一个概念上的突破,和它提供的优势,这可能成为一个改变,导致新技术从水中氢生产没有二氧化碳排放,鼻中隔黏膜下切除术后可与氢和使生产清洁从化石燃料转向清洁的氢燃料,”罗斯柴尔德说道。

在他们写完论文后,德西尼恩的研究人员为他们的发明申请了专利,并成立了一家名为H2Pro的初创公司,其使命是开发和分发基于E-TAC技术的新型水分解技术。他们希望通过扩大研究中使用的电极和电池的规模,构建和测试基于E-TAC水分解工艺的氢发生器,优化其操作方案和检测高压制氢,尽快将这项技术商业化。

“我们还计划进一步开展学术研究,研究新的电极材料和先进的分析方法应用于了解电极组成和微观结构之间的相关性及其功能属性,为了发展新一代的基于Ni (OH) 2电极E-TAC水分解的过程,”罗斯柴尔德说道。“我们的目标是通过快速充电和再生率来提高电池的容量(这样我们就可以运行更长时间的过程),从而提高氢气的产量。”

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