Site Loader

Содержание

Как отделить кислород от водорода

Для этого нужен более сложный прибор — электролизер, который состоит из широкой загнутой трубки, наполненной раствором щелочи, в которую погружены два электрода из никеля.

Монополярная ванна

Кислород будет выделяться в правом колене электролизера, куда подключен положительный полюс источника тока, а водород — в левом.

Это обычный тип электролизера, которым пользуются в лабораториях для получения небольших количеств чистого кислорода.

В больших количествах кислород получают в электролитических ваннах разнообразных типов.

Войдем в один из электрохимических заводов по производству кислорода и водорода. В огромных светлых залах-цехах строгими рядами стоят аппараты, к которым по медным шинам подводится постоянный ток. Это электролитические ванны. В них из воды можно получить кислород и водород.

Электролитическая ванна — сосуд, в котором параллельно друг другу расположены электроды. Сосуд наполняют раствором — электролитом. Число электродов в каждой ванне зависит от размера сосуда и от расстояния между электродами. По схеме включения электродов в электрическую цепь ванны делятся на однополярные (монополярные) и двухполярные (биполярные).

В монополярной ванне половина всех электродов подключается к положительному полюсу источника тока, а вторая половина — к отрицательному полюсу.

В такой ванне каждый электрод служит или анодом, или катодом, и на обеих сторонах его идет один и тот же процесс.

Биполярная ванна: 1 — катод; 2 — анод; 3 — биполярные электроды.

В биполярной ванне источник тока подключается только к крайним электродам, один из которых служит анодом, а другой — катодом. С анода ток поступает в электролит, через который он переносится ионами к близлежащему электроду и заряжает его отрицательно.

Проходя через электрод, ток снова входит в электролит, заряжая обратную сторону этого электрода положительно. Таким образом, проходя от одного электрода к другому, ток доходит до катода.

В биполярной ванне только анод и катод работают как монополярные электроды. Все же остальные электроды, расположенные между ними, являются с одной стороны катодами (—), а с другой стороны — анодами (+).

При прохождении электрического тока через ванну между электродами выделяются кислород и водород. Эти газы нужно отделить друг от друга и направить каждый по своему трубопроводу.

Существуют два способа отделения кислорода от водорода в электролитической ванне.

Отделение кислорода от водорода в электролитической ванне металлическими колоколами

Первый из них заключается в том, что электроды отгораживаются друг от друга металлическими колоколами. Образующиеся на электродах газы поднимаются в виде пузырьков кверху и попадают каждый в свой колокол, откуда через верхний отвод направляются в трубопроводы.

Этим способом кислород легко отделить от водорода. Однако такое разделение приводит к излишним, непроизводительным затратам электроэнергии, так как электроды приходится ставить на большом расстоянии друг от друга.

Другой способ разделения кислорода и водорода при электролизе заключается в том, что между электродами ставится перегородка — диафрагма, которая является непроницаемой для пузырьков газа, но хорошо пропускает электрический ток. Диафрагма может быть сделана из плотно сотканной асбестовой ткани толщиной 1,5—2 миллиметра. Эту ткань натягивают между двумя стенками сосуда, создавая тем самым изолированные друг от друга катодные и анодные пространства.

Водород из всех катодных и кислород из всех анодных пространств поступают в сборные трубы. Оттуда по трубопроводам каждый газ направляется в отдельное помещение. В этих помещениях под давлением 150 атмосфер полученными газами наполняют стальные баллоны. Баллоны направляют во все уголки нашей страны. Кислород и водород находят широкое применение в различных областях народного хозяйства.

Источник: В. Медведовский. Кислород. Государственное Издательство Детской литературы Министерства Просвещения РСФСР. Ленинград. Москва. 1953

Ошпаренный перовскит произвел чистое «зеленое» топливо. Химики усовершенствовали процесс синтеза водорода, избавившись от стадии дополнительной очистки — Наука

Новая статья химиков из Великобритании и Франции в Nature Chemistry примечательна сразу двумя моментами. Во-первых, исследователи представили новый метод получения водорода из смеси воды и угарного газа. Это, возможно, поможет в переходе на экологичное топливо или, по меньшей мере, усовершенствует крайне распространенный в индустрии технологический процесс. Во-вторых, ученые продемонстрировали прототип химического реактора, в котором удалось обойти фундаментальное ограничение — их статья озаглавлена «Обход накладываемых химическим равновесием ограничений за счет построения термодинамически обратимого реактора». В этих словах, по сути, звучит вызов второму закону термодинамики.

Промышленное производство водорода использует в качестве сырья природный газ (метан, CH4) в смеси с водяным паром и протекает в две стадии:

  1. метан и водяной пар дают водород и угарный газ (CH4 + H2O → H2 + CO) ;
  2. все тот же пар, который остался от прошлой реакции, и угарный газ также реагируют и дают водород и углекислый газ (H2O + CO → H2 + CO2). Именно эту реакцию изучали авторы новой статьи; в принципе, для нее можно использовать и комбинацию пара с угарным газом из любых иных источников.

Именно так получают водород на большинстве промышленных предприятий в мире. Реакция не требует экстремальных условий и, в отличие от электролиза воды, не требует использования химически стойких электродов (впрочем, недавно в этом направлении продвинулся иной коллектив). Но углекислый газ и водород могут вступать в другую реакцию, уже друг с другом: H2 + CO2 → H2O + CO.

Меняя температуру в реакторе, можно добиться того, чтобы одна из реакций доминировала, однако получить строго одно из двух состояний невозможно. Нагрев ведет к тому, что равновесие смещается в сторону синтеза пара и угарного газа, но внутри реактора всегда будет смесь всех четырех веществ.

Поэтому грязный продукт (водород с примесью иных газов) на выходе считается неизбежным злом, с которым можно только мириться.

Невозможность добиться идеального протекания реакции в заданном направлении (т.е. получая только водород и не теряя его при обратном образовании воды с углекислым газом) была не просто следствием технологического несовершенства или, скажем, загрязнения сырья. Проблема фундаментальна — большинство процессов во Вселенной протекают только в одном направлении. Если перемешать несколько сортов молекул вместе, разделить полученную смесь на составляющие можно только с приложением немалый усилий, а вероятность самопроизвольной сортировки молекул «по кучкам» пренебрежимо мала.

В случае с синтезом водорода из угарного газа и пара первые же полученные в результате реакции молекулы водорода оказываются не где-нибудь в специально отведенном месте, а в том же реакторе, который заполнен еще не прореагировавшими молекулами пара и угарного газа. А где есть не два типа молекул, а все четыре, там, кроме прямой реакции, становится возможна и обратная. Так что ученые имели дело с двумя, казалось бы, взаимоисключающими задачами — сделать реакцию получения водорода необратимой и одновременно добиться того, чтобы фундаментальное правило «то, что смешали, само не разделится» перестало работать.

Им удалось найти решение — катализатор на основе перовскита.

Перовскиты — это класс веществ, который в 2013 году был назван журналом Science одним из главных прорывов в науке о материалах. Кристаллическая решетка перовскита выстроена из атомов титана, кальция и кислорода, а еще в ней есть примеси редкоземельных элементов. Некоторые из перовскитов оказались замечательным материалом для солнечных батарей, лазеров и даже катализаторов, способных разлагать воду на кислород и водород.

Авторы новой публикации обратились как раз к химической активности перовскитной структуры с добавлением атомов лантана. Этот катализатор отнимал кислород у воды и превращал ее в водород. Реакция стала выглядеть так: H2O  + перовскитный катализатор → H2 + перовскитный катализатор с атомом кислорода, то есть в окисленном виде.

Сам по себе этот процесс не представлял бы особенного интереса для промышленности, так как получать дешевый водород окислением дорогого материала откровенно бессмысленно. Но, пропустив через реактор водяной пар, ученые затем прокачивали угарный газ. Это позволяло восстановить катализатор, передав удерживаемый им кислород угарному газу: CO + окислившийся катализатор → CO2 + восстановленный катализатор.

В принципе такой подход уже использовался и раньше, но его результаты были далеки от идеала. Прошлые металлические катализаторы не могли одинаково хорошо работать и на прием, и на отдачу атомов кислорода. Для получения реальной выгоды катализатор должен был работать в разных условиях (на входе в реактор больше одного газа, у выхода — другого) и выдерживать многие циклы окисления/восстановления без потери своих качеств. Теоретически можно было бы использовать сложную комбинацию нескольких катализаторов внутри одной установки, но от этого подхода авторы решили отказаться из-за его непрактичности.

В своей разработке они использовали перовскитный катализатор, который умеет принимать атомы кислорода и отдавать их в широком диапазоне условий, причем его эффективность плавно меняется при окислении. Кроме того, — и это отдельная изюминка проекта — катализатор был изначально частично окислен для того, чтобы работать при разных условиях. Заполненный им реактор содержал как окисленный, так и восстановленный перовскит, причем содержание кислорода в материале (окисленный содержит больше, чем восстановленный) менялось при перемещении от одного входящего патрубка к другому.

Там, где в реактор поступал пар, катализатор был изначально окислен; там, откуда выходил водород и куда потом закачивали угарный газ, катализатор изначально пребывал в восстановленном виде, и в ходе работы его никогда не доводили до полного окисления.

Благодаря комбинации способного принимать кислород в разных условиях катализатора и использовании его в разных состояниях ученые смогли добиться максимально полного выхода водорода. Когда химики увеличили длительность одного цикла и переокислили весь катализатор, эффективность работы устройства резко снизилась. Но для современного производства выдерживать корректные интервалы вряд ли будет большой проблемой — промышленная электроника способна реагировать за считанные десятки миллисекунд, что уж говорить о необходимой для нового реактора минуте.

Свою разработку ученые назвали memory reactor, т.е. «реактором с эффектом памяти». В нем водород в принципе не встречается с атомами углерода, и это позволяет не только получать более чистый продукт, но и еще кое-что.

Авторы указывают, что с ростом температуры реакция в реакторе идет быстрее. И в случае с традиционным методом получения водорода это могло бы привести к росту производительности, если бы не проблема смешивания CO2 и H2: при нагреве водород активнее реагирует с углекислым газом и потому равновесие смещается в сторону угарного газа. А вот новую разработку химиков можно смело нагревать, подавая на вход газы повышенной температуры — скорость реакции растет, а баланс при отсутствии углекислого газа в реакторе никуда не смещается.

Найденное решение интересно само по себе, но в данном случае это еще и та область химии, которая может претендовать на включение в условный перечень «ста самых важных для человечества промышленных реакций».

Водород часто называют идеальным топливом, так как он сгорает с образованием чистого водяного пара. Он обладает меньшей плотностью энергии в пересчете на объем (то есть работающим на нем машинам нужны большие баки), но зато не дает парниковых выбросов.

Водород можно использовать в выдающих электричество топливных элементах. Эти устройства не сжигают топливо при высокой температуре, а окисляют его с одновременным преобразованием химической энергии в электричество. Топливные элементы стояли на многих космических кораблях, и существуют прототипы наземного транспорта, использующие их для получения электричества. 

Кроме всего этого, водород в любом случае нужен нам в промышленных количествах здесь и сейчас. Современные заводы выдают около 50 миллионов тонн водорода ежегодно. Этот газ нужен для производства аммиака (NH3) и азотных удобрений, так что без него человечество буквально останется без еды; он также нужен для гидрогенизации (соединения органических молекул с водородом) растительных жиров при производства маргарина, он применяется для сварки и даже при добыче ряда металлов — водород восстанавливает их из оксидов, отбирая у них кислород. Так что у реактора с эффектом памяти, возможно, есть промышленное будущее.

Другое дело, что и сам он генерирует углекислый газ при работе, что не снимает поэтому вопрос об экологической выгоде: источником выбросов углекислоты становятся не миллионы автомобилей, а заводы. С другой стороны, если выбросы будут сконцентрированы в одном месте, то их намного проще нейтрализовать: проекты по захоронению углекислого газа уже существуют.

 Алексей Тимошенко

Ученые изучили состав нефти, растворив ее в воде

Исследователи из МФТИ, Сколтеха, ОИВТ РАН и МГУ предложили новый подход к исследованию состава нефти. Они доказали, что при повышении температуры и давления возможно получить водный раствор, и провели анализ его состава. Метод соответствует принципам «зеленой химии», позволяя отказаться от использования небезопасных для экологии растворителей. Работа опубликована в журнале Analytical and Bioanalytical Chemistry.

В чистом виде нефть практически не используется. Чтобы сделать процесс переработки максимально эффективным, необходимо знать, из каких компонентов состоит исходное сырье. В нефти их насчитывается более 400 000, причем состав образца зависит от месторождения, где он был добыт. Исключительная сложность состава не позволяет разделить нефть на отдельные компоненты. До сих пор относительно мало изучены тяжелые (неулетучивающиеся при нагреве до 300С) фракции. Известно, что в основном они состоят из фенолов, кетонов, карбазолов, пиридинов, хинолинов, дибензофуранов и карбоновых кислот. В образцах из некоторых месторождений, помимо всего вышеперечисленного, встречаются соединения, содержащие серу. При этом многие углеводороды имеют одинаковый элементный состав: столько-то атомов углерода, столько-то — водорода и кислорода, но разное строение, то есть являются изомерами друг друга.

Сильно различающиеся структуры, естественно, обладают и разными химическими свойствами. Углеводороды из тяжелых фракций нефти состоят из большего количества атомов, что дает еще больше вариантов структур для каждого соединения.

Метод масс-спектроскопии дает информацию о элементном составе вещества и молекулярной массе, но не всегда в силах различить изомеры. Дополнительную информацию можно получить с помощью изотопного обмена. Этот метод основан на том, что кислород (или водород) в различных соединениях, в данном случае в нефти с разной интенсивностью замещается своим изотопом, тем же элементом, но обладающим иной массой. Самый удобный и безопасный источник изотопов кислорода и водорода — вода, однако при обычных условиях нефть в ней не растворяется, поэтому ранее применялись высококонцентрированные кислоты или щелочи. Но кислота, особенно при высоких температурах, разрушает органические соединения, тем самым изменяя состав образца.

Тем не менее известно что нерастворимые в воде соединения могут быть растворены в перегретой, так называемой сверхкритической воде, температура которой значительно превышает 100С, поэтому было решено применить этот подход и к нефти. Авторы работы доказали, что при повышении температуры и давления получить водный раствор нефти возможно, и провели анализ ее состава. Образец нагревали до 360С  вместе с тяжелой водой (в которой водород заменен дейтерием) или тяжелокислородной при давлении более 300 атмосфер в течение часа.

Рисунок 1. Процесс растворения нефти в перегретой воде

Ученые сравнивали масс-спектры исходного образца и образца после реакции обмена. Полученные данные позволили получить больше информации о структуре входящих в состав нефти соединений. Подобный метод может применяться для исследования и других сложных неполярных соединений на молекулярном уровне.

«Изотопные  метки могут вставать только в определенные места молекулы по аналогии с принципом ключ-замок,

— говорит Евгений Николаев, руководитель лаборатории масс-спектрометрии Сколтеха, профессор МФТИ. — Измеряя количество обменов методом масс-спектрометрии сверхвысокого разрешения мы можем получать информацию о структуре молекул даже тогда, когда выделить чистое вещество и установить его структуру другими методами невозможно».


«Запасы легкой нефти неумолимо истощаются. Все большую роль в производстве бензина играет гидрокрекинг мазута, молекулярный состав которого крайне сложен и неизучен. Установки гидрокрекинга дороги, не производятся в России и требуют использования специальных катализаторов. Мы научились различать фураны, пиридины, нафтеновые кислоты в сырой нефти, не прибегая к сложной процедуре перегонки,
— рассуждает Юрий Костюкевич, автор работы, старший научный сотрудник лабораторий Сколтеха и МФТИ. — Надеемся, что наша работа позволит глубже понять структуру и состав нефти, поможет в разработке новых катализаторов для эффективной нефтепереработки и поспособствует улучшению контроля качества нефти в магистральных нефтепроводах».

Топливо из крана? Мечтатель из Перми знает как из воды получить энергию | ФИНАНСЫ | ЭКОНОМИКА

                                                               
Интернет опрос
Какие альтернативные источники энергии могли бы заменить нефть через 40-50 лет?

■  Солнечная энергия — 28% (243 голоса)

■  Атомная энергия — 28% (240 голосов)

■  Биотопливо — 15% (129 голосов)

■  То, что ещё не изобретено, — 15% (126 голосов)

■  Энергия ветра — 8% (69 голосов)

■  Гидроэлектростанции — 6% (51 голос)

Всего голосов: 858

Фёдор Камильевич Глумов — большой мечтатель. Он живёт в хрущёвке в центре Перми и мечтает о революции. Но не о той, о которой в последнее время твердят на российских площадях, а о революции в энергетике. 57-летний инженер-механик Глумов уверен: недалёк тот день, когда в каждой квартире, в каждом доме, даже на Северном полюсе, где обитают полярники, будет стоять автономное устройство, дающее электричество, тепловую энергию для приготовления пищи, нагрева воды и отопления. Подобное устройство станет приводить в движение и колёса автомобилей. Единственное условие для работы чудо-установки — наличие воды. Глумов изобрёл и запатентовал разработки, которые позволяют сжигать воду в качестве топлива и получать почти бесплатную тепловую энергию.

На выходе — пар

Идея, если максимально её упростить, такова: вода, как известно, состоит из водорода и кислорода, и если разделить её на эти два элемента, то водород можно сжечь в кислороде, выделив большое количество тепла. Дополнительную энергию даст так называемая рекомбинация атомарного водорода — соединение его атомов в молекулы. Эта реакция — уже нечто среднее между химической и ядерной, отсюда и колоссальная энергия. «Расчёты показывают: тепло, полученное при сгорании полутора железнодорожных цистерн воды в таком реакторе, эквивалентно энергии, выделяемой в течение часа китайской АЭС в Тяньване, которую строила Россия! — утверждает Глумов. — Важно и то, что технология экологически безопасна: в выхлопе только водяной пар, то есть это возобновляемый источник энергии».

Но это теория. И к ней есть вопросы. Первый: каким способом пермский Кулибин собирается разделять воду на составляющие? Ведь известно, что этот процесс сам по себе энергозатратный и для извлечения водорода из воды методом электролиза, например, надо сжечь нефти или газа столько, что технология становится нерентабельной. «Необходимо принимать во внимание, каким образом происходит диссоциация воды, — поясняет изобретатель. — Это может быть, например, кавитация (образование в жидкости пузырьков, заполненных паром), воздействие ультразвуком или вращение в противоположные стороны дисков, между малыми зазорами которых находится вода. На выставке изобретений «Архимед-2002» демонстрировалось устройство, где вода разлагалась на кислород и водород специально заданными резонансными акустическими волнами низких частот. Мощность устройства составляла милливатты».

Есть и более впечатляющие примеры. Три года назад одна японская компания представила прототип автомобиля, который заправляют водой. Мембрана-электрод расщепляет её на водород и кислород. Первый заново соединяется со вторым в электрохимическом генераторе, от которого работает мотор. Из выхлопной трубы выходит обычный пар. На одном литре воды машина за час проезжает 80 км.

Плазмотрон от батарейки

«Но если вода «сгорает» в вашем реакторе, а на выходе получается всё тот же пар, откуда берётся энергия?» — интересуюсь я у Глумова. «Из энергии внутримолекулярных связей воды», — отвечает он. И предъявляет подробные расчёты, из которых следует, что если молекулу Н2О разрушать механическим образом или высоковольтной дугой, то при повторном её синтезе будет излучаться дополнительная тепловая энергия. Он долго рассказывает о кластерах, в которые объединяются молекулы воды, о ковалентных связях, разрушение которых сопровождается выделением энергии, о цепной реакции горения, но самое интересное выясняется потом: оказывается, прототипы его установки (пока существующей лишь в теории) уже созданы и успешно применяются!

«Это плазменные аппараты — их используют для резки металлов и бетона, сварки, обработки материалов и пр. Аппараты давно есть в продаже, и они эффективнее обычных, — поясняет Фёдор Камильевич. — С помощью электрической дуги такой аппарат доводит водяной пар до состояния плазмы. Температура факела — 6000°С, как на поверхности Солнца. А разделение воды на кислород и водород происходит уже при 1800°С. 50-70 мл воды хватает, чтобы в течение получаса резать сталь толщиной до 5 см. При этом мощность аппарата составляет всего 200 ватт! Я взял эту идею и усовершенствовал её. Моё запатентованное изобретение работает на том же принципе, только это многоступенчатый плазмотрон — он позволяет многократно увеличивать количество энергии».

Первичный плазмотрон, по словам Глумова, сможет работать от простой батарейки. Потом через так называемое сопло Лаваля (техническое приспособление, разгоняющее потоки газа) плазма попадёт во второе, большее по размерам устройство, затем в третье и т. д. Реактор размером с бачок унитаза, уверяет Фёдор Камильевич, сможет обеспечить жилое помещение всей необходимой энергией.

Сейчас он патентует устройство, которое будет преобразовывать тепловую энергию непосредственно в электрическую, без «механических посредников». К слову, у пермского Кулибина уже 11 патентов. С их внедрением, правда, есть проблемы, но таков удел почти всех изобретателей в России. Переписка с высшими инстанциями ни к чему не приводит, а своих денег на производство опытных образцов нет. Хотя… «Уникальное устройство для сжигания воды, несомненно, имеет революционную значимость. Полученные на эти инновации патенты, а также проведённая нашими специалистами экспертиза подтверждают перспективность использования этих изобретений для создания принципиально новой экономики России», — ответил ему глава Департамента промышленного развития Кировской области, куда он обратился со своими идеями.

Может, это и чиновничья отписка, но нетрудно заметить: в ней есть карт-бланш на революцию. Энергетическую, разумеется.

Смотрите также:

Автомобили на водородном топливе | Энергия

Самый легкий и наиболее распространенный элемент во Вселенной — это водород. Когда он горит в присутствии чистого кислорода, выделяется только тепловая энергия и водяной пар. При горении в атмосфере, содержащей около 71% азота, образуется также некоторое количество закиси азота. Возможно переоборудование обычных автомобилей на ископаемом топливе в автомобили, работающие на водородном топливе (также как возможна модификация обычных автомобилей, чтобы обеспечить их работу на метане или пропане).

Получение водорода

Водород нужно выделять из различных природных соединений.

В свободном состоянии водород в природе отсутствует. Самый обще принятый способ получения водорода — выделение его из метана в процессе паровой конверсии метана. Чтобы отделить водород от углеродной основы в метане, требуются пар и тепловая энергия, что и происходит в специальных паровых реформерах на каталитических поверхностях. В процессе паровой конверсии на первом этапе метан
9 водяной пар в присутствии никеля в качестве катализатора расщепляются на водород и окись углерода (побочный продукт), а на втором этапе окись углерода и вода превращаются в двуокись углерода (побочный продукт) и дополнительное количество водорода.

Другой известный метод — электролиз воды. Он обеспечивает получение чистого водорода в одну технологическую ступень. Молекула чистой воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, соединенных химической связью. Эту связь можно разорвать, если пропустить через воду электрический ток. Для обеспечения процесса электролиза и увеличения способности воды пропускать ток к ней необходимо добавить электролит — поваренную соль, бикарбонат натрия или серную кислоту, чтобы увеличить ее электропроводимость. Если погрузить в раствор электролита два электрода и приложить к ним постоянное напряжение, то на отрицательном электроде появятся пузырьки водорода, а на положительном — пузырьки кислорода. Газ из этих пузырьков собирают и запасают. В процессе электролиза не выделяется никаких опасных побочных продуктов. Отметим, что для электролиза можно применять только постоянный ток, но не переменный, — не тот, который мы получаем из сетевой розетки. Дело в том, что если использовать переменный ток, то и водород, и кислород будут появляться на обоих электродах и разделить их окажется невозможно. Электролиз — это дорогой и неэффективный процесс. Чтобы получить водород методом электролиза, требуется в 1,5 раза больше энергии, чем будет выделено потом при полном сгорании полученного водорода. Для того чтобы производить водород путем электролиза в больших масштабах, было предложено использовать альтернативную энергетику — солнечные батареи и ветряные установки, и это выгодно в тех странах, которые обладают дешевыми ресурсами в этих областях. Для получения большого количества водорода не требуется много воды, кроме того, во многих странах существуют соленые озера, которые уже содержат необходимые для электролиза вещества.

Существуют также и другие методы электролиза, позволяющие разделить молекулу воды для получения водорода. В этих методах используются определенные химические соединения и/или подогрев. Разрабатываются также методы получения водорода из угля или биомассы, содержащих большое количество углеводов (Во всех процессах получения водорода разложением воды в качестве побочного продукта будет выделяться значительное количество кислорода. Это даст новые стимулы его применения не только как ускорителя технологических процессов, но и как незаменимого очистителя и оздоровителя водоемов, промышленных стоков. Эта сфера использования кислорода может быть распространена на атмосферу, почву, воду. Сжигание в кислороде растущего количества бытовых отходов сможет решить проблему твердых отбросов больших городов. Еще более ценным побочным продуктом электролиза воды является тяжелая вода — хороший замедлитель нейтронов в атомных реакторах. Кроме того, тяжелая вода используется в качестве сырья для получения дейтерия, который, в свою очередь, является сырьем для термоядерной энергетики.).

Что такое Водородное топливо — Техническая Библиотека Neftegaz.RU

Lh3 является самым экологически чистым видом моторного топлива, поэтому его перспективы очевидны

Водородное топливо

В Австралии на бурых углях в штате Виктория отрабатывается технология технология газификации угля с последующим выделением водорода, вернее удаления серы, ртути и двуокиси углерода (СО2).

В Норвегии — Nel Hydrogen отрабатывает технологию использования ВИЭ для высокотемпературного электролиза для разделения воды на водород и кислород, который будет выбрасываться в атмосферу.

Kawasaki Heavy Industries разрабатывает морской танкер — водородовоз для транспортировки жидкого водорода ( LH2).

Водород

Водород (H) является самым распространенным элементом на Земле, но в обычных условиях он не встречается ни в виде водорода H, ни в виде газообразного водорода (H2). 

Благодаря своим характеристикам он легко вступает в реакцию с другими органическими соединениями с образованием, например, воды (H2O). 

Во время этой реакции образования воды из водорода и воздуха выделяется энергия, которую можно использовать в качестве электричества. 

Чтобы сделать эту реакцию полезной для промышленного производства электроэнергии, необходимо произвести водород, например из воды путем разделения атомов на кислород и водород посредством электролиза. 

Есть другие технологии:

  • использование газов, оставшихся от химических процессов, например метана, угля, нефти и биомассы. 
Для производства водорода существуют разные способы, которые сильно различаются как с точки зрения экологичности, так и с точки зрения стоимости.
Экологичность — важный критерий производства водорода.
Чем больше оксидов углерода выделяется при производстве водорода, тем менее экологичным он будет считаться.
Для простоты каждый «сорт» произведенного по разным технологиям принято обозначать цветом, хотя правильнее — по углеродному следу.

Реакция взаимодействия водорода с кислородом происходит с выделением тепла. 

Если взять 1 моль H2 (2 г) и 0,5 моль O2 (16 г) при стандартных условиях и возбудить реакцию, то согласно уравнению

Н2 + 0,5 О2= Н2О

после завершения реакции образуется 1 моль H2O (18 г) с выделением энергии 285,8 кДж/моль.

Для сравнения: теплота сгорания ацетилена — 1300 кДж/моль, пропана — 2200 кДж/моль.

1 м³ водорода весит 89,8 г (44,9 моль), поэтому для получения 1 м³ водорода будет затрачено 12832,4 кДж энергии.

1 кВт*ч = 3600 кДж, поэтому получим 3,56 кВт*ч электроэнергии. 

Целесообразность перехода на водородное топливо можно оценить, сравнив имеющийся тариф на 1 кВт*ч электричества и, к примеру, стоимость 1 м³ газа или стоимость другого энергоносителя.

При сжигании водорода получается чистая вода. 
То есть водородное топливо производится без вреда для окружающей среды, в отличие от газа или бензина.

Получение водорода

Для получения водорода используют химические методы, в тч реакции разложения воды электрическим током.
Основной промышленный способ получения водорода — реакция с водой метана, который входит в состав природного газа.
Она проводится при высокой температуре:

СН4 + 2Н20 = CO2 + 4Н2 — 165 кДж

  • 1.Электролиз водных растворов солей:
2NaCl + 2H2O → h3↑ + 2NaOH + Cl2
  • 2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:
h3O + C ⇄ h3 + CO
  • 3.Из природного газа.
Конверсия с водяным паром: CH4 + H2O ⇄ CO + 3H2 (1000 °C) Каталитическое окисление кислородом: 2CH4 + O2 ⇄ 2CO + 4H2
  • 4. Крекинг и реформинг углеводородов в процессе переработки нефти.
  • 5. Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и соляную кислоту:
Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2
  • 6.Взаимодействие кальция с водой:
Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2
  • 7.Гидролиз гидридов:
NaH + H2O → NaOH + H2
  • 8.Действие щелочей на цинк или алюминий:
2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑ Zn + 2KOH + 2H2O → K2[Zn(OH)4] + h3↑
  • 9 .С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:
2H3O+ + 2e → H2↑ + 2H2O
  • Биореактор для производства водорода

Физические свойства Газообразный водород может существовать в 2х формах (модификациях) — в виде орто — и пара-водорода.
В молекуле ортоводорода (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны).
Разделить аллотропные формы водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота.
При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону параводорода.
При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25).
Без катализатора превращение происходит медленно, что дает возможность изучить свойства отдельных аллотропных форм.
Молекула водорода двухатомна — Н. При обычных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса.
Водород — самый легкий газ, его плотность во много раз меньше плотности воздуха. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре.
Как самые легкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому.
Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в 7 раз выше теплопроводности воздуха.

Химические свойства

Молекулы водорода Н довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:

Н2=2Н — 432 кДж

Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:

Ca + Н2 = СаН2 и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:

F2+H2=2HF

С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении.

Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:

CuO + Н2 = Cu + Н20

Записанное уравнение отражает реакцию восстановления — процесс, в результате которого от соединения отнимается кислород; вещества, отнимающие кислород, называются восстановителями (при этом они сами окисляются).

Реакция восстановления противоположна реакции окисления.

Обе эти реакции всегда протекают одновременно как 1 процесс: при окислении (восстановлении) одного вещества обязательно одновременно происходит восстановление (окисление) другого.

N2 + 3H2 → 2 NH3

С галогенами образует галогеноводороды:

F2 + H2 → 2 HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре, Cl2 + H2 → 2 HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

C + 2H2 → CH4

Оксиды восстанавливаются до металлов:

CuO + H2 → Cu + H2O Fe2O3 + 3H2 → 2 Fe + 3H2O WO3 + 3H2 → W + 3H2O

Геохимия водорода

Водород — самый распространенный элемент, и все элементы образуются из него в результате термоядерных и ядерных реакций.
На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем.
Свободный водород H2 относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.
В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.
В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением.
Он мигрирует в верхние слои атмосферы и улетучивается в космос.

Применение кроме энергетики:
  •  для атомно-водородной сварки,
  •  в пищевой промышленности, как пищевая добавка E949- упаковочный газ, для производства маргарина из жидких растительных масел,
  •  химической промышленности — при производстве аммиака, мыла и пластмасс,
  •  в качестве ракетного топлива,

Энергетика

Водороду уделяется такое пристальное внимание не зря.
Подобно батареям, водород в основном используется как форма хранения энергии.
Они оба зависят от первичной энергии, такой как солнечная и ветровая, для зарядки или генерации, и при необходимости могут быть преобразованы в электричество.
Тем не менее, водород превосходит батареи по многим параметрам:
  • более чистый производственный процесс, 
  • нулевое загрязнение после утилизации; более высокая плотность энергии. 
Водород можно производить с помощью воды и электричества, а батареи часто зависят от токсичных материалов, таких как цинк, никель и марганец, которые оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду при их добыче в открытых карьерах или на морском дне и после их утилизации.
При преобразовании водорода в электричество производится только вода и тепло.
Водород также имеет гораздо более высокую плотность энергии (33 кВт*ч / кг), чем батареи (около 1 кВт*ч / кг), и чем бензин и дизельное топливо (около 12 кВт*ч / кг), что делает его особенно выгодным для транспорта и в качестве мобильного энергоносителя

Пожароопасность и взрывоопасность

Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь — гремучий газ. 
Наибольшую взрывоопасность — при объемном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближенно 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21%.
Водород пожароопасен.

Что такое газ Брауна | Синтезгаз

Газ Брауна

Газ Брауна, который часто обозначают как HHO или гремучий газ (англ. Browns Gas, HHO gas, fire damp, detonating gas, oxyhydrogen gas) – это 2 части газообразного водорода, и одна часть кислорода в определенном объеме. Одни и те же элементы, и в одинаковых пропорциях, присутствуют в газе Брауна и в водяном паре, а еще, водород и кислород – промышленно выпускаемые газы – все это многообразие вносит некоторую путаницу в понимание, что такое газ Брауна. Попытаемся с этим разобраться.

Обычные кислород и водород, реализуемые в торговой сети или полученные обычными электролизерами, поставляются в виде O2 и H2. То есть, молекулы обоих газов имеют по два атома. Это более устойчивое состояние этих газов, чем когда отдельные атомы отделены (заряженные ионы) и каждый атом существует по отдельности.

Проблема с H2 и O2 как с горючими газами, в том, что до того, как они начнут реагировать, чтобы превратиться в H2O, они должны быть разложены на атомы H и O .Требуемая на это энергия составляет большую часть из той, которую Вы получите при их взаимодействии для получения H2O.

Что делает газ Брауна уникальным, и наиболее ценным, так это то, что он существует не в молекулярной форме H2 и O2 молекул. Здесь они в одноатомном состоянии (один атом на молекулу). В этом состоянии, когда водород сгорит (прореагирует с кислородом), энергии будет возвращено в 3.8 раза больше.

Однако наиболее важно отметить те результаты, которые получены при использовании газа Брауна в ДВС. Одноатомный водород является сверх катализатором для различных видов топлива, на основе углеводородов. Повышение мощности, пробега и более чистое горение (уменьшение вредных выбросов) зарегистрированы людьми, которые ввели газ Брауна во впускной коллектор.

Известно, что в двигателях внутреннего сгорания переработка топлива происходит неэффективно. В лучшем случае, сгорает только 40% топлива – дорогого и вредного для окружающей среды бензина или дизеля. Оставшиеся 60% успешно догорают в выхлопной трубе.

Подробные исследования по теме проводил Юл Браун, который построил демонстрационный автомобиль, и получил на свою разработку патент США с подтверждением эксперимента. Это устройство состоит из электролизера, циркулярного резервуара, оптимизатора, системы управления. Способ выделения газа основывается на явлении электролиза воды. Установленный циркулярный резервуар предназначается для отделения газа от воды, он нужен также для снабжения газогенератора электролитом.

Подобные эксперименты проводились и в России. Так, профессор Г.В.Дудко испытывал двигатель внутреннего сгорания, который выглядел как гибрид карбюраторного двигателя и дизеля. Для запуска нужен был стакан бензина, после чего отключалось зажигание, в камеры сгорания подавалась обычная вода со специальными добавками. Она предварительно нагревалась и сильно сжималась. Двигатель установили на лодке, и испытатели плавали на ней по Азовскому морю 2 дня, вместо бензина вливая воду из-за борта.

В генераторе газа Брауна химическая реакция электролиза протекает непосредственно в электролизере, после чего выделяется газ Брауна – водород и кислород. Задействован специальный электролит, который состоит из катализатора и дистиллированной воды. Образовавшийся газ выходит из верхнего штуцера электролизёра по трубке, направляется он в отдельную емкость – водяной затвор. Он заходит снизу, очищается от пены, поднимается в виде газа над уровнем воды, следует через фильтр улавливания влаги, затем через обратный клапан в воздушный коллектор и оттуда в камеру сгорания.

В результате сгорания газа появляется сухой пар, который очищает клапаны и поршни от нагара, улучшает теплообмен, а это, в свою очередь, увеличивает ресурсы двигателя. На выхлопе получается водяной пар и кислород, каждый литр воды при этом расширяется на 1800 литров горючего газа, который и толкает устройство вперед. Кислород при этом берется из воды, которая используется для получения газа.

Замечания по газу Брауна:

  • На практике, даже лучшие электролизеры не производят чистый газ Брауна. Он практически всегда содержит некоторый процент молекул H2 и 02. Чем лучше электролизер, тем больший процент газа Брауна он будет вырабатывать.
  • Через время, заряженные ионы, H+ и O- будут соединяться в H2O, H2 и O2 молекулы, снижая этот процент газа Брауна. По этой причине газ Брауна является наилучшим решением в системах «газ по требованию».
  • При производстве газа Брауна электролизер не нагревается. Электричество для производства газа поглощается в реакции создания H+ и O- из H2O. Когда H+ и O- преобразуются в H2 и O2 молекулы, они отдают тепло. Это тепло может быть использовано как мера произведенного газа.
  • Газ Брауна будет иметь двойной объем для того же количества молекул Н2 и О2. Так происходит потому, что размер самих молекул значение не имеет, а имеет значение их количество, поскольку только количество молекул определяет объем газа. H2 и O2, имея 1/2 числа молекул, будут иметь 1/2 объем. Поэтому объем может быть использован как мера производительности по газу Брауна.

Тема газа Брауна уже известна в довольно широком кругу, но в то же время предстоит еще много изучить.

Комментарии:

Водородное топливоХронология водородных топливных элементов

Расщепление воды с помощью УФ теперь почти со стопроцентной квантовой эффективностью — ScienceDaily

Налейте себе стакан воды и взгляните на него. Эта вода содержит обильный источник топлива, водород. Водород сгорает чисто, в отличие от энергетических продуктов на основе бензина. Звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой? Ученые в Японии успешно разделили воду на водород и кислород, используя легкие и тщательно разработанные катализаторы, и они сделали это с максимальной эффективностью, то есть почти без потерь и нежелательных побочных реакций.Этот последний прорыв в производстве солнечного водорода делает вероятность масштабируемого и экономически жизнеспособного производства водорода более чем вероятным, прокладывая путь человечеству к переходу на чистую энергию.

Расщепление воды с использованием катализаторов и солнечного света, называемое фотокатализом, десятилетиями было многообещающим методом получения солнечного водорода. Однако большинство предыдущих попыток давали только внешнюю квантовую эффективность менее примерно 50%, что представляет собой сложность разработки эффективного катализатора для реального использования.Катализатор нужно было разработать лучше, чтобы каждый поглощенный фотон от источника света использовался для производства водорода. Ключом к повышению эффективности было стратегическое размещение сокатализаторов и предотвращение дефектов в полупроводнике.

Опубликовано в выпуске Nature от 27 мая, Tsuyoshi Takata of Shinshu University et al. открыла новые горизонты в производстве электроэнергии, используя титанат стронция, легированный алюминием, в качестве фотокатализатора, свойства которого были тщательно изучены и, следовательно, лучше всего изучены.Они выбирают сокатализаторы родий для водорода с оксидом хрома и оксид кобальта для кислорода, настраивая их так, чтобы они участвовали только в желаемых реакциях. Этот метод позволил избежать рекомбинационных потерь в реакции.

Эти новые открытия открывают двери для создания масштабируемого и экономически жизнеспособного производства солнечного водорода. Их стратегии проектирования позволили уменьшить дефекты, что привело к почти идеальной эффективности, и полученные знания будут применяться к другим материалам с интенсивным поглощением видимого света.Необходима дополнительная работа, прежде чем мы сможем запускать наши автомобили на водороде, потому что это исследование было сосредоточено на использовании ультрафиолетового света, а обильный видимый свет от солнца остался неиспользованным. Однако этот великий прорыв сделал эту возможность уже не слишком хорошей, чтобы быть правдой, но в теории это всего лишь вопрос времени. Надеемся, что это побудит ученых, исследователей и инженеров заняться этой областью, что значительно приблизит использование солнечной водородной энергии.

Источник истории:

Материалы предоставлены Университетом Шиншу . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Первая солнечная энергетическая система для разделения воды на водород и кислород на отдельных участках

Newswise — Исследователи из Техниона — Израильского технологического института разработали прототип системы для эффективного и безопасного производства водорода с использованием только солнечной энергии. Исследование было опубликовано в журнале Joule группой Cell под руководством докторанта Авигейл Ландман из энергетической программы Grand Technion вместе со студентом магистратуры Раваном Халаби с факультета материаловедения и инженерии.Исследование проводилось под совместным руководством профессора Гидеона Грейдера с факультета химической инженерии и профессора Авнера Ротшильда с факультета материаловедения и инженерии в сотрудничестве с профессором Аделио Мендес и доктором Паулой Диас из Университета Порту в Португалии.

Инновационная система содержит тандемное солнечное устройство, которое позволяет более эффективно использовать световой спектр. Часть солнечной радиации поглощается верхним слоем, сделанным из полупрозрачного оксида железа.Излучение, не поглощенное в этом слое, проходит через него и впоследствии поглощается фотогальваническим элементом. Вместе два слоя системы обеспечивают энергию, необходимую для разложения воды.

От теории к применению:

Инновационная система является продолжением теоретического прорыва исследовательской группы Техниона, представленного в статье Nature Materials за июнь 2017 года. В этой статье исследователи представили парадигматический сдвиг в производстве водорода: вместо одной производственной ячейки, в которой вода расщепляется на водород и кислород, исследователи разработали систему, в которой водород и кислород образуются в двух совершенно разных ячейках.Это развитие важно отчасти потому, что смешивание кислорода и водорода создает взрывоопасное и опасное взаимодействие. Исследователи представили доказательства осуществимости лабораторной системы, работающей от обычного источника питания.

Теперь, в текущем исследовании Джоулей , исследователи представляют реализацию теории в прикладной разработке — фотоэлектрохимический прототип системы, которая производит водород и кислород в двух отдельных ячейках, используя только солнечный свет. В рамках эксперимента было проведено около 80 часов работы (10 дней по 8 часов), демонстрирующих эффективность системы при естественном солнечном свете.Эксперимент проводился на химико-технологическом факультете Техниона.

Предыстория:

Водород — очень востребованный материал во многих сферах нашей жизни. Большая часть производимого сегодня водорода используется для производства аммиака для производства удобрений, необходимых для современного сельского хозяйства. Кроме того, водород является одним из ведущих альтернативных источников топлива, особенно в контексте автомобильных двигателей. В контексте транспорта водород имеет несколько преимуществ перед топливом на минеральной основе:

  • его можно получать из воды с использованием зеленой энергии, такой как солнечная энергия, что снижает зависимость от минерального топлива и зависимости от стран, богатых запасами нефти;
  • производство водорода из воды позволяет хранить зеленую энергию, которая доступна не все часы дня;
  • В отличие от дизельных и бензиновых двигателей, которые выбрасывают большое количество загрязняющих веществ в атмосферу, единственным побочным продуктом работы водородных двигателей является вода.

Сегодня большая часть водорода в мире производится из природного газа. Но вместе с этим процессом происходит выброс углекислого газа (CO2), ущерб окружающей среде от которого хорошо известен. Альтернативным методом производства является электролиз – разложение воды (h30) на водород (h3) и кислород (O2). Хотя процесс электролиза был открыт более двухсот лет назад, разработано не так много технологий электролиза. В последние годы, с жизненно важным переходом на альтернативные источники энергии, стало ясно, что процесс электролиза необходимо усовершенствовать, чтобы он соответствовал этим источникам энергии.

На этом фоне развился фотоэлектрохимический процесс, который расщепляет воду непосредственно с помощью солнечного излучения. Хотя и здесь есть различные технологические вызовы. Например, производство водорода с использованием обычного метода электролиза — разложения воды на водород и кислород в одной и той же производственной ячейке — сопряжено с риском, поскольку встреча водорода и кислорода приводит к взрыву. Более того, в крупномасштабных солнечных полях очень сложно производить водород в такой конфигурации.Отсюда важность текущего прорыва представленного в Джоулей .

Исследователи надеются, что ученые и промышленность продолжат разработку системы и превратят ее в коммерческий продукт.

Исследование проводилось при поддержке Энергетической программы Нэнси и Стивена Гранд Технион (GTEP), при финансовой поддержке американского донора Эда Сателла, Фонда Аделис, Министерства энергетики и Европейской комиссии (два гранта ERC), а также Национального научного фонда PAT Excellence. Центр.

На протяжении более века Технион – Израильский технологический институт является пионером в области естественно-научного и технологического образования и меняет мир.Будучи глобальным университетом, Технион уже давно использует трансграничное сотрудничество для продвижения прорывных исследований и технологий. Теперь, имея присутствие в трех странах, Технион подготовит следующее поколение глобальных новаторов. Люди, идеи и изобретения Техниона вносят неизмеримый вклад в мир, внедряя инновации в областях от исследований рака и устойчивой энергетики до квантовых вычислений и информатики, чтобы приносить пользу всему миру.

Американское общество Техниона поддерживает дальновидное образование и влияние, изменяющее мир, через Технион – Израильский технологический институт.Базируясь в Нью-Йорке, мы представляем тысячи американских доноров, выпускников и заинтересованных сторон, которые инвестируют в рост и инновации Техниона для продвижения важнейших исследований и технологий, которые служат Государству Израиль и глобальному благу. На протяжении более 75 лет наша общенациональная сеть поддержки финансировала новые стипендии, исследования, лаборатории и объекты Техниона, которые помогли внести вклад, изменивший мир, и распространить образование Техниона на кампусы в трех странах.

Ученые разработали самый эффективный катализатор для расщепления воды

Ученые только что нашли новый способ расщепления воды на водород и кислород, который является дешевым и эффективным, и это может означать, что в будущем мы сможем производить в изобилии чистое водородное топливо.

 

Водород — фантастический источник экологически чистой энергии, но задача состоит в том, чтобы сделать его достаточно эффективным и доступным по цене. Сообщается, что недавно разработанный катализатор решает обе проблемы, обеспечивая большую эффективность при меньшей стоимости, чем существующие решения, и может работать в течение 20 часов подряд.

По словам ученых Хьюстонского университета, разработавших катализатор, он отвечает всем требованиям с точки зрения долговечности и накопления энергии, а также стоимости и эффективности.

«Водород — самый чистый первичный источник энергии на Земле», — говорит один из членов команды, Пол К. В. Чу. «Вода могла бы быть самым распространенным источником водорода, если бы можно было отделить водород от его прочной связи с кислородом в воде с помощью катализатора».

Чтобы расщепить воду на водород и кислород, необходимы две реакции — по одной для каждого элемента. Основная проблема заключалась в том, чтобы получить эффективный катализатор для кислородной части уравнения, что, по словам этих исследователей, они теперь взломали.

Катализатор состоит из метафосфата железа и платформы из проводящей пены никеля, сочетание материалов, которое, по словам команды, является более эффективным и менее дорогим, чем существующие решения.

 

Он также показал впечатляющую долговечность в тестах, проработав более 20 часов и 10 000 циклов без сбоев.

Использование нового метода означает, что водород можно производить без образования углеродных отходов. Это то, чего не могут избежать существующие методы производства, такие как паровая конверсия метана и газификация угля.

До сих пор кислородные реакции часто полагались на электрокатализаторы, в которых используется иридий, платина или рутений — «благородные» металлы, которые трудно и дорого добывать. Эксперты говорят, что кислородные реакции стали узким местом всего процесса.

Никель, напротив, более распространен, и поэтому его легче и дешевле достать. Этот металл лежит в основе еще одного метода разделения воды, открытого в прошлом году, поэтому теперь у ученых есть несколько способов улучшить производство водорода.

Само расщепление обычно происходит за счет электрического тока или солнечной энергии, но поскольку вода улавливает лишь небольшую часть светового спектра, более продуктивно сначала преобразовать солнечный свет в энергию, а затем использовать электричество для выделения водорода.

Если ученые смогут расшифровать формулу, водород в конечном итоге сможет питать все, от домов до автомобилей. И это гораздо лучший вариант для окружающей среды, чем ископаемое топливо, выделяющее CO2 — водородное топливо производит воду в качестве побочного продукта сгорания, что является экологически безопасным и не загрязняющим окружающую среду.

Хорошая новость: если метод электролиза воды не сработает, исследователи также изучают способы получения водорода из биомассы.

Чем меньше тепла и энергии мы тратим в первую очередь на получение водорода, тем лучше он для нашей планеты, а когда он будет готов, он станет намного чище и экологичнее, чем ископаемое топливо.

«Мы считаем, что наше открытие — гигантский шаг к практическому и экономичному производству водорода путем расщепления воды, что внесет значительный вклад в усилия по сокращению потребления ископаемого топлива», — говорят исследователи из Хьюстона.

Их выводы были опубликованы в PNAS .

 

Ученые выяснили, как разделить воду на водород и кислород в космосе

Одна из самых больших проблем при отправке людей на далекие планеты, такие как Марс, связана с возможностью получить достаточное количество топлива, воды и кислорода для космических кораблей и мест обитания, необходимых для поддержки людей. Ученые доказали, что в космосе можно расщепить воду на водород и кислород.Водород можно использовать в качестве топлива для космических кораблей, а кислород — для поддержания жизни.

Ученые смогли разделить воду на составные части с помощью полупроводникового материала и солнечного или звездного света в условиях невесомости. Этот прорыв делает возможным устойчивое космическое путешествие. Процесс расщепления воды на водород и кислород известен как электролиз.

Этот процесс работает при пропускании тока через воду, в которой есть растворимый электролит. Этот электрический ток разделяет воду на компоненты по отдельности на двух электродах.Ученые говорят, что водород и кислород, полученные с помощью этого метода, могут быть использованы в качестве топлива на космических кораблях.

Запуск ракеты, наполненной водой, намного безопаснее, чем запуск ракеты, наполненной таким же количеством ракетного топлива и кислорода на борту. Риск взрыва намного ниже при большом количестве воды и меньшем количестве ракетного топлива. С космическим кораблем, заполненным водой на орбите, технология может разделить воду на водород и кислород, которые можно использовать для поддержания жизни и питания космического корабля с помощью топливных элементов.

Другим вариантом является использование так называемых «фотокатализаторов», способных поглощать фотоны в полупроводниковом материале, помещенном в воду. Энергия фотографии поглощается электроном в материале, который подпрыгивает и оставляет после себя дыру. Этот свободный электрон может реагировать с протонами в воде с образованием водорода. Водород и кислород также могут быть соединены вместе, чтобы сделать воду.

ИСТОЧНИК: Научная тревога

Устройство использует свет для расщепления воды на чистый водород

Поделись
Артикул

Вы можете поделиться этой статьей под Атрибуцией 4.0 Международная лицензия.

Ученые разработали недорогое устройство, которое использует свет для расщепления воды на кислород и полностью сгорающий водород.

Вододелитель представляет собой кремниевый полупроводник, покрытый сверхтонким слоем никеля, и, по словам исследователей, он может помочь проложить путь к крупномасштабному производству чистого водородного топлива из солнечного света. Их результаты опубликованы в журнале Science .

Цель состоит в том, чтобы дополнить солнечные батареи водородными топливными элементами, которые могут генерировать электроэнергию, когда солнце не светит или спрос высок.

На этом изображении показаны два электрода, подключенных через внешний источник напряжения, которые расщепляют воду на кислород (O2) и водород (h3). Кремниевый электрод с подсветкой (слева) использует световую энергию для содействия процессу разделения воды и защищен от окружающего электролита пленкой никеля толщиной 2 нм. (Источник: Госонг Хонг, Стэнфордский университет)

[связанный]

«Солнечные элементы работают только тогда, когда светит солнце», — говорит соавтор исследования Хунцзе Дай, профессор химии Стэнфордского университета.«Когда нет солнечного света, коммунальным предприятиям часто приходится полагаться на электроэнергию от обычных электростанций, работающих на угле или природном газе».

Более экологичное решение, по словам Дая, состоит в том, чтобы дополнить солнечные батареи топливными элементами, работающими на водороде, которые вырабатывают электроэнергию ночью или когда спрос особенно высок.

Как разделить воду

Чтобы производить чистый водород для топливных элементов, ученые обратились к новой технологии, называемой расщеплением воды. Два полупроводниковых электрода соединены и помещены в воду.Электроды поглощают свет и используют энергию для разделения воды на ее основные компоненты, кислород и водород.

Кислород выбрасывается в атмосферу, а водород хранится в качестве топлива.

Когда требуется энергия, происходит обратный процесс. Сохраненный водород и атмосферный кислород объединяются в топливном элементе для выработки электроэнергии и чистой воды.

Весь процесс устойчив и не выделяет парниковых газов. Но найти дешевый способ разделить воду было серьезной проблемой.

Сегодня исследователи продолжают поиск недорогих материалов, которые можно использовать для создания вододелителей, достаточно эффективных для практического применения.

Раствор кремния

«Кремний, который широко используется в солнечных батареях, был бы идеальным и недорогим материалом», — говорит аспирант Стэнфордского университета Майкл Дж. Кенни, соавтор исследования Science . «Но кремний разлагается при контакте с раствором электролита.

«На самом деле погружной электрод из кремния подвергается коррозии, как только начинается реакция разделения воды.

В 2011 году другая исследовательская группа из Стэнфорда решила эту проблему, покрыв кремниевые электроды ультратонкими слоями диоксида титана и иридия. Этот экспериментальный вододелитель производил водород и кислород в течение восьми часов без коррозии.

«Это были вдохновляющие результаты, но для практического разделения воды необходима долгосрочная стабильность», — говорит Дай. «Кроме того, драгоценный металл иридий стоит дорого. Желателен катализатор из неблагородных металлов».

Чтобы найти недорогую альтернативу, Дай предложил Кенни и его коллегам попробовать покрыть кремниевые электроды обычным никелем.

«Никель устойчив к коррозии, — говорит Кенни. «Это также активный катализатор, производящий кислород, и он широко распространен. Это делает его очень привлекательным для такого типа приложений».

Нанопленка никеля

Для эксперимента команда Дай нанесла слой никеля толщиной 2 нанометра на кремниевый электрод, соединила его с другим электродом и поместила оба в раствор воды и бората калия.

При подаче света и электричества электроды начали расщеплять воду на кислород и водород, процесс, который продолжался около 24 часов без каких-либо признаков коррозии.

Для повышения производительности исследователи добавили литий в раствор на водной основе. «Примечательно, что добавление лития придает электродам превосходную стабильность», — говорит Кенни. «Они непрерывно вырабатывали водород и кислород в течение 80 часов — более трех дней — без каких-либо признаков поверхностной коррозии».

Эти результаты представляют собой значительный прогресс по сравнению с предыдущими экспериментальными усилиями, добавляет Дай.

«Наша лаборатория изготовила один из самых долговечных фотоанодов на основе кремния, — говорит он.«Результаты показывают, что сверхтонкое никелевое покрытие не только подавляет коррозию, но и служит электрокатализатором, ускоряющим в противном случае вялотекущую реакцию расщепления воды.

«Интересно, что добавка лития к электролитам использовалась для улучшения никелевых батарей со времен Томаса Эдисона. Много лет спустя мы с радостью обнаруживаем, что это также помогает создавать более совершенные устройства для разделения воды».

Ученые планируют провести дополнительную работу по повышению стабильности и долговечности никелированных электродов из кремния, а также других материалов.

Институт энергетики Precourt и проект Global Climate and Energy Project в Стэнфорде и Национальный научный фонд финансировали работу.

Источник: Стэнфордский университет

Повышение эффективности разделения воды для хранения водорода в 50 раз

Эксперименты определяют оптимальную площадь поверхности и улавливание пузырьков для создания более эффективных устройств для разделения воды.

Изображение предоставлено: Дрю Хейс Unsplash

Электролиз — это метод, используемый в химии для управления инертной реакцией.В своем (возможно) наиболее практическом применении он используется для преобразования молекул воды в газообразный водород и кислород, обеспечивая средства хранения избыточной энергии, производимой возобновляемыми источниками, такими как ветер и солнце. Энергия, запасенная в химических связях молекул водорода, может быть использована в дальнейшем, при стихании ветра или в пасмурные дни.

Однако, чтобы это стало экономически целесообразным, современные технологии разделения воды должны стать более эффективными и доступными, по словам Бена Уайли, профессора химии Университета Дьюка.Одним из способов снижения стоимости электролиза является увеличение производительности электролизеров.

Чтобы изучить это, Уайли и его команда изготовили три разных никелевых электрода — один из вспененного никеля, войлока из микрофибры и войлока из нанопроволоки — и исследовали компромисс между площадью активной поверхности и структурой пор на характеристиках электрода. Их результаты были недавно опубликованы в журнале Advanced Energy Materials .

Идея заключалась в том, чтобы увеличить площадь доступной поверхности для протекания реакций, а также свести к минимуму количество захваченных пузырьков газа на поверхности электрода.«Максимальная скорость, с которой производится водород, ограничена пузырьками, блокирующими электрод — буквально блокирующими попадание воды на поверхность и разделение», — сказал Уайли.

Три различные конфигурации пор на электродах влияют на то, как вода течет через материал во время реакции расщепления воды. Пенный электрод оказался отличной средой для выхода пузырьков водорода, однако его пористая поверхность означала ограниченную площадь поверхности для протекания реакции, что снижало его производительность.Войлок, сделанный из никель-медных нанопроволок, первоначально производил водород более эффективно из-за большей площади поверхности, но в течение 30 секунд его эффективность резко упала, потому что материал забился пузырьками.

Лучшей средой оказался войлок из микроволокна, который выделял больше водорода, чем войлок из нанопроволоки, несмотря на то, что его площадь поверхности была на 25% меньше. Во время 100-часового испытания войлок из микроволокна вырабатывал водород при плотности тока 25 000 миллиампер на квадратный сантиметр, что делает его в 50 раз более производительным, чем обычные щелочные электролизеры.

По словам Уайли, коммерческие производители электролизеров воды могут улучшить структуру своих электродов на основе того, что узнала его команда. Если бы они могли значительно увеличить скорость производства водорода, стоимость водорода, полученного при расщеплении воды, могла бы снизиться, возможно, даже настолько, чтобы сделать его доступным решением для хранения возобновляемой энергии в ближайшем будущем.

Ссылка: F. Yang, et al. «Электролиз щелочной воды при 25 А см -2 с микроволокнистым проточным электродом.«Передовые энергетические материалы» (2020). DOI: 10.1002/aenm.202001174

Что произойдет, если водород и кислород разделятся на воду? – Rampfesthudson.com

Что происходит, когда водород и кислород распадаются на воду?

Расщепление воды — это химическая реакция, в которой вода расщепляется на кислород и водород: 2h3O → 2h3 + O. Вариант расщепления воды происходит при фотосинтезе, но водород не образуется. Обратное расщепление воды лежит в основе водородного топливного элемента.

Как можно разделить воду на водород и кислород?

Электролиз — это процесс использования электричества для расщепления воды на водород и кислород. Эта реакция происходит в устройстве, называемом электролизером.

Можно ли эффективно разделить воду на водород и кислород с помощью солнечной энергии?

Производство водорода на солнечной энергии: разделение воды с помощью УФ-излучения теперь имеет почти 100% квантовую эффективность. Резюме: Ученые успешно разделили воду на водород и кислород, используя легкие и тщательно разработанные катализаторы, и они сделали это с максимальной эффективностью, то есть практически без потерь и нежелательных побочных реакций…

Когда электричество проходит через воду, оно распадается на водород и кислород, кто это открыл?

Селина – Химия – Класс 7. Когда электричество проходит через воду, выделяются водород и кислород, что является реакцией разложения.Расщепление воды было обнаружено Фудзисимой и Хондой. Когда электричество проходит через воду, оно разделяется на водород и кислород, этот процесс называется электролизом.

Можно ли разделить водород и кислород?

Ответ: Разделение водорода и кислорода в воде осуществляется с помощью процесса, называемого «электролиз воды», в котором молекулы водорода и кислорода разделяются на отдельные газы посредством отдельных «реакций эволюции». Каждая реакция эволюции индуцируется электродом в присутствии катализатора.

Как электролиз разделяет водород и кислород?

Электролиз — это процесс использования электрического тока для разделения воды на газообразный водород и кислород. Электрический заряд, прикладываемый к воде, разрывает химическую связь между атомами водорода и кислорода и производит заряженные частицы, называемые ионами.

Как электролиз расщепляет воду?

Сколько энергии требуется для выделения водорода и кислорода из H3O?

Энергия, необходимая для расщепления воды на водород и кислород путем электролиза, составляет около 260 кДж на моль воды.Для разделения одного литра воды потребуется не менее 16 МДж (4,4 кВтч), что является огромным расходом в промышленных масштабах.

Можно разделить на водород и кислород физически или химически?

Вода также может подвергаться химическому изменению. Молекулы воды можно разбить на молекулы водорода и кислорода в результате химической реакции, называемой электролизом.

Что такое расщепление молекул воды на водород и кислород в присутствии света?

фотолиз
В процессе, называемом фотолизом («свет» и «расщепление»), энергия света и катализаторы взаимодействуют, вызывая расщепление молекул воды на протоны (H+), электроны и газообразный кислород.

Сколько энергии требуется для выделения водорода и кислорода из воды?

Разделяет ли кипящая вода водород и кислород?

На самом деле это рекомендуемый способ получения водорода — вы нагреваете воду до очень высоких температур. Это действительно существует — это особый вид керамической мембраны, и вы можете разделить два газа и получить водород. Так что да, это может произойти где-то около 2000 градусов по Цельсию.

Можно ли разделить воду на водород и кислород?

По желанию пищевая сода или любая другая соль, которая сделает электролит более проводящим После того, как вы собрали все материалы, давайте сделаем немного водорода.Давайте посмотрим, как расщепить воду на водород и кислород в домашних условиях на собственной кухне. Вы можете найти графитовые электроды в любой батарее. Батарея 6 В имеет внутри 3 графитовых электрода.

Как одновременно образуются две молекулы воды?

Процедура. Однако в то же время из двух молекул воды (2 ч3О) можно получить две молекулы водорода (2 ч3). В то время как на электродах образуются водород и кислород, остаточными продуктами реакции из воды являются протоны (Н + на стороне кислорода) и ионы гидроксила (ОН — на стороне водорода).

Что легче разделить воду на два компонента?

Разделить воду на два компонента гораздо проще, и это называется электролизом воды. Получение водорода или кислорода таким способом кажется простым. Но, как вы, вероятно, подозревали, эта обратная реакция требует затрат энергии, поэтому ее также называют эндотермической реакцией.

Как чистая вода превращается в газообразный водород?

Во время электролиза молекулы восстанавливаются на катоде до газообразного водорода и окисляются на аноде до газообразного кислорода.Чистая вода не проводит электричество, поэтому нам нужно добавить электролит, например бикарбонат соды.

.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.