org/BreadcrumbList»>
1. Главная
2. Наука

08 июля, 2005, 00:00 Распечатать Выпуск № 26, 8 июля-15 июля 2005г.

Российский исследователь сконструировал электролизер, позволяющий получать водород из воды, затрачивая на это очень мало энергии…

• ЗЕРКАЛО НЕДЕЛИ, УКРАИНА Архив номеров | Последние статьи < >

  • Мягкая посадка для мира и турбулентность для Украины Сырьевые заработки будут меньше, политические — больше Опрос читателей

    АвторЮлия Самаева Статья 28 сентября 08:30

  • «Муж в плену, а сына расстреляли шестью выстрелами в грудь». Боль из Гостомеля и Бучи Живые истории войны

    АвторЕлена Жежера Статья 27 сентября 17:00

  • А пенсии с 1 октября все же пересчитают — конкретные примеры Кому и сколько, плюс доплаты Опрос читателей

    АвторТатьяна Кириленко Статья 27 сентября 13:00

  • Люди-функции. Как украинские предприниматели смогут спасти экономику Украины Стране критически нужна перезагрузка отношений властей и бизнеса

    АвторМихаил Бно-Айриян Статья 27 сентября 08:30

  • Победа правых и «друзей Путина» в Италии: сохранится ли поддержка Украины? Как новое итальянское правительство будет решать «украинский вопрос» Опрос читателей

    АвторАлексей Коваль Статья 26 сентября 17:00

  • Министерство шаурмы Такого кризиса неплатежей специалисты не припоминают много лет Опрос читателей

    АвторНиколай Тесля Статья 26 сентября 13:00

• Вам также будет интересно >

  • Куда приглашают украинских ученых во время войны Опрос читателей 30. 08 13:05

  • Харьковских школьников встретили невероятными аплодисментами на международном турнире. Почему и как это было? 08.08 13:00

  • Наука может стать локомотивом, который вытащит Украину из экономической пропасти Инфографика Опрос читателей 06.08 13:40

  • Как оценивать украинскую науку: четыре важные вещи Опрос читателей 02. 08 13:00

  • В чем нуждаются украинские научные работники во время войны и что они могут дать стране? Опрос читателей 31.07 13:00

  • Война с Россией: почему Украине нужна математика Опрос читателей 26.06 17:00

  • Плагиат Шкарлета: почему это важно даже во время войны ► Видео Опрос читателей 21. 05 14:00

  • Как война повлияет на украинскую науку: три риска Опрос читателей 06.05 17:00

  • Спецоперация России в науке. Начали и сдулись Инфографика 05.04 15:00

  • Новые правила защиты диссертации доктора философии: что не так? 16. 02 17:00

  • Экономия на ученых: как связаны наука и ВВП Инфографика 06.02 17:03

  • Токсичные ректоры и «мурзилки»: в Украине раздали народную антипремию «Академическая недобропорядочность года» 20.01 13:36

Последние новости

• Военное положение: военнослужащим предлагают предоставить десятидневные отпуска 12:24
• Международная федерация джиу-джитсу допустила к соревнованиям россиян под нейтральным флагом 12:21
• Эрдоган призвал перестать думать о ядерной войне, потому что «это — катастрофа» 12:19
• Зимняя форма поступит в подразделения к середине октября – Резников 12:11
• Вирус герпеса оказался способен вылечить редкие формы рака 12:07

Все новости

Добро пожаловать! Регистрация Восстановление пароля Авторизуйтесь, чтобы иметь возможность комментировать материалы Зарегистрируйтесь, чтобы иметь возможность комментировать материалы Введите адрес электронной почты, на который была произведена регистрация и на него будет выслан пароль

Забыли пароль? Войти

Пароль может содержать большие и маленькие буквы латинского алфавита, а также цифры Введенный e-mail содержит ошибки

Зарегистрироваться

Имя и фамилия должны состоять из букв латинского алфавита или кирилицы Введенный e-mail содержит ошибки Данный e-mail уже существует У поля Имя и фамилия нет ошибок У поля E-mail нет ошибок

Напомнить пароль

Введенный e-mail содержит ошибки

Нет учетной записи? Зарегистрируйтесь! Уже зарегистрированы? Войдите! Нет учетной записи? Зарегистрируйтесь!

Химики получили водород на катоде и аноде одновременно

Химия Экология и климат

16:19 29 Дек. 2021

Сложность 5.5

Общая схема электролиза с получением водорода на катоде и аноде

D. Xiangfeng et al. / Nature Catalysis, 2021

Ученые из США и Китая разработали систему электролиза, в которой на аноде и катоде выделялся водород. При этом протекало две реакции: окисление природного альдегида и восстановление воды. Такая система позволила получать водород при низком напряжении в цепи и небольшом потреблении энергии. Исследование опубликовано в журнале Nature Catalysis.

95 процентов всего производимого водорода получают риформингом ископаемого топлива — дешевым, но вредным для окружающей среды процессом. В качестве альтернативы ученые долгое время предлагают электролиз воды, однако из-за высокого напряжения, требуемого для протекания реакции окисления, получать водород электролизом оказывается слишком дорого.

Еще одна проблема, из-за которой электролиз воды трудно применять в промышленности, заключается в следующем: в результате реакции на аноде выделяется водород, а на катоде — кислород, которые вместе дают очень взрывоопасную смесь. Из-за этого приходится разделять анодное и катодное пространства, а также тщательно контролировать состав получаемого газа. Кроме того, образующиеся в процессе радикальные частицы могут разрушать мембраны электролизера.

Химики под руководством Дуаня Сянфэня (Duan Xiangfeng) из Калифорнийского университета решили разработать метод электролитического получения водорода из дешевого органического исходного и воды. При этом их целью было провести электролиз при низком напряжении и без выделения побочных газообразных продуктов.

Химикам было известно, что альдегиды можно электрохимически окислять до карбоновых кислот в присутствии металлических катализаторов, при этом на поверхности металла адсорбируются атомы водорода, которые затем окисляются с образованием воды. Исходя из этого, авторы статьи предположили, что можно провести процесс, при котором адсорбированные атомы водорода будут объединяться с образованием молекулярного водорода, а не окисляться.

Значения напряжения, требуемые для электролиза воды и окисления альдегидов

D. Xiangfeng et al. / Nature Catalysis, 2021

Поделиться

Для исследования реакции окисления химики выбрали альдегид гидроксиметилфурфураль — он встречается в природе и легко получается из сахаров. А в качестве катализатора ученые решили использовать металлическую медь с большой площадью поверхности, которую они предварительно получали электрохимическим восстановлением оксида меди Cu₂O. Ученым удалось установить, что при проведении реакции анодного окисления ток в цепи возникает уже при напряжении в 0,05 Вольт, а затем повышается, достигая максимума около 0,4 Вольт. Масс-спектрометрический анализ показал, что продукты реакции — газообразный водород и соответствующая карбоновая кислота.

a) Зависимость потенциала от плотности тока. Первый пик отвечает окислению альдегида, а второй — окислению медного катализатора. b) Концентрация получившейся кислоты в зависимости от напряжения в цепи (желтая линия)

D. Xiangfeng et al. / Nature Catalysis, 2021

Поделиться

Чтобы получить еще больше водорода, химики попробовали объединить процесс окисления альдегида на аноде и реакцию выделения водорода из воды на катоде. В качестве анода они использовали металлическую медь, а в качестве катода выбрали платину на угле. Реакция началась уже при напряжении менее 0,1 Вольта, а плотность тока достигла 100 миллиампер на квадратный сантиметр при напряжении 0,27 Вольта.

В результате химикам удалось разработать эффективный процесс получения водорода. Рассчитанный выход по току составил 100 процентов и для анодного, и для катодного процесса (то есть на каждый прошедший через цепь электрон выделялась одна молекула водорода). При одинаковой плотности тока новый процесс позволил получать в два раза больше водорода, чем классический электролиз воды, а потребление энергии оказалось меньше примерно в 14 раз.

Сравнение эффективности разных органических субстратов в реакции получения водорода. По вертикальной оси отложено требуемое значение напряжения

D. Xiangfeng et al. / Nature Catalysis, 2021

Поделиться

Чтобы реакция выделения водорода из воды протекала быстрее, химики используют дорогие платиновые катализаторы. Но недавно им удалось применить для этой цели более дешевые золото-родиевые наночастицы. О необычной роли золота в этом процессе мы рассказывали несколько месяцев назад.

Михаил Бойм

Получение водорода в домашних условиях

Шапилова, В. В. Получение водорода в домашних условиях / В. В. Шапилова, Г. И. Талапчук. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2018. — № 1.1 (15.1). — С. 97-98. — URL: https://moluch.ru/young/archive/15/1180/ (дата обращения: 29.09.2022).



На Земле водород в чистом виде почти не встречается, и в повседневной жизни мы с ним не сталкиваемся. Но в соединениях — это второй по количеству атомов элемент в земной коре после кислорода. Все живые существа на Земле, включая нас с вами, примерно на 2/3 состоят из водорода.

Ключевые слова: водород, получение водорода.

Так что же такое водород? Каковы его свойства? Как его получают и применяют в земных условиях? Можно ли получить водород в домашних условиях, и как это делать лучше всего? На эти и другие вопросы мы постараемся ответить в ходе нашей научной работы.

Водород — это самый простой элемент в природе, состоящий из одного протона и вращающегося вокруг него электрона. Впервые получение водорода упоминается у английского учёного Роберта Бойля, который в 1671 году проводил реакцию между железными стружками и разбавленными кислотами. Русское наименование «водород» предложил химик М. Ф. Соловьев в 1824 году — по аналогии с «кислородом» М. В. Ломоносова. Официальное латинское название водорода «Hydrogenium».

В промышленности водород получают в основном из ископаемого топлива. В первую очередь это природный газ, метан, с которым большинство из нас может встретится на кухне, если вас есть газовая плита. Водород получают из лёгких фракций нефти. Третий по популярности источник водорода — это уголь.

Наиболее доступным для повторения в домашних условиях является разложение воды электрическим током (электролиз).

Для проведения нашего эксперимента мы взяли старую зарядку на 5 В 750мА и угольные электроды, извлечённые из обычных солевых батареек. Для измерения протекающего тока использовался мультиметр.

Для сбора и измерения получающихся газов, в бутылки налили воды, и закрепили их на основной ёмкости горлышком вниз, погрузив его при этом в электролит. Таким образом, чтобы воздух в бутылку попадать не смог. Всего в ёмкости и бутылках получилось около 1,5 литров воды. Как и ожидалось, с чистой водой, после подачи напряжения с зарядного устройства ничего не произошло. Мультиметр показывал почти нулевой ток. Но, когда в воду добавили две чайные ложки соды, электролиз пошёл бодрее, на обоих электродах начали появляться пузырьки газа, а мультиметр показал ток 15 мА. С таким маленьким током за сутки (24 часа) удалось собрать только 0,11 литра водорода (примерно полстакана). Во второй бутылке при этом собралось примерно в 2 раза меньше кислорода. Это означает, что в воде водорода в два раза больше, чем кислорода.

Наблюдение выделения водорода в результате взаимодействия металлов с разбавленными кислотами было самых первым в истории химии. И его относительно просто повторить в домашних условиях. Для этого нам понадобится металл, желательно поактивнее и кислота. В нашем эксперименте мы выбрали электролит для свинцовых аккумуляторов, который можно найти в ближайшем автомобильном магазине и цинк из использованных солевых батареек. Для сбора водорода, как и в случае электролиза, использовали перевёрнутую бутылку с опущенным в воду горлышком. Электролит дополнительно развели водой в пропорции 50 мл раствора серной кислоты на 150 мл. воды. Цинка из батарейки получилось примерно 1 г. За 12 часов весь металл растворился и мы получили 0.7 литра водорода.

Другой популярный метод — взаимодействие металлов с щелочами. Для эксперимента мы выбрали два варианта, которые были под рукой — кусочки провода и фольгу для запекания. Щёлочь (гидроксид натрия) можно найти в бытовых магазинах как средство для прочистки канализационных труб (КРОТ, например). Установку для получения использовали почти такую же, что и в опыте с кислотой и цинком. Раствор в обоих опытах был одинаковым: 20 мл щёлочи и 200 мл воды. В первом опыте использовали проволоку диаметром 1.5 мм, во втором — кусочки фольги. В обоих случаях масса алюминия была 1 г. В первом опыте удалось получить 1.2 л водорода, заняло это 34 часа. Во втором опыте фольга растворилась за 1 час 20 минут, выделив 1.4 л водорода. Из этих опытов можно сделать вывод, что скорость реакции сильно зависит от площади поверхности, на которой она происходит. В опыте с фольгой площадь поверхности была во много раз выше, чем в опыте с проволокой. Ещё большей скорости можно добиться, если взять алюминий в порошке. В этом случае соотношение площади поверхности к массе будет наибольшим.

Таким образом, в экспериментах по получению водорода наиболее быстрым и доступным способом оказался вариант взаимодействия алюминиевой фольги со щёлочью. Но если необходимо получать водород регулярно и в больших количествах, то на первое место должен выйти электролиз, так как он не требует никаких расходных материалов кроме воды. Правда для этого понадобится более серьёзная установка, чем зарядка от телефона и пара бутылок.

В ходе научной работы мы познакомились с самым распространённым, но таким редким в быту веществом, как водород. Научились получать его различными способами и выбрали наиболее удобный для осуществления в домашних условиях — воздействие средства для прочистки труб, содержащего щёлочь, на алюминиевую фольгу.

Так же мы на собственном опыте убедились, что водород — горючий и взрывоопасный газ, но им вполне можно наполнять воздушные шарики, чтобы они летали. Правда при этом стоит держать их подальше от открытого огня.

Основные термины (генерируются автоматически): водород, получение водорода, опыт, алюминиевая фольга, научная работа, литр водорода, площадь поверхности.

Из

Известные технологии получения водорода из связанного состояния энергозатратные, дорогие и сложны в эксплуатации [4, с. 8]. Существует необходимость в поиске методов получения водорода из связанного состояния, лишенных перечисленных недостатков.

Получение водорода методом электролиза неэффективно с энергетической точки зрения, количество затраченной на это энергии значительно превышает количество энергии, содержащейся в водороде. Процесс получения водорода из ископаемых видов топлива…

Исследование методов

Говоря о водороде как о экологически чистом топливе будущего, считается, что его производство не наносит вреда окружающей среде.

Настоящая работа направлена на исследование способов получения водорода в соответствии с принципами «зелёной химии».

Создание технологий

Введение. Понятие — «водородная энергетика» сформировалось в середине 70-х г. XX столетия. Водородную энергетику можно определить, как научно техническое направление, охватывающее проблемы получения, хранения, транспортировки и использования водорода.

Краткий обзор опытно-конструкторских

При подаче водорода соответственно уменьшалось количество бензина в смеси. Как видно, добавка водорода при неизменной энергии

2. Трелин Ю. А. Исследование особенностей работы ДВС с искровым зажиганием при добавках водорода в бензовоздушную смесь: дисс…

К вопросу применения

Первое практическое использование водорода в качестве добавки к топливу для авиационных ДВС относится к 1927г. В Советском Союзе работы по применению Н2 в качестве топлива для ДВС проводятся в секторе неоднородных средств АН СССР под руководством академика В.В…

Особенности топливных систем двигателей, работающих на…

Получение водорода разложением воды в многоступенчатых термохимических циклах на транспортных энергоустановках практически невозможно из-за высоких и различных на разных ступенях температур (до 450-9000С) и использования большого количества цветных металлов.

Технология очистки отходящих газов высокоамперных…

Технология улавливания фтористого водорода в системе сухой газоочистки основана на способности глинозема поглощать фтористый водород. В реакторе-адсорбере в режиме аэровзвеси, происходит процесс соединения фтористого водорода с оксидом алюминия [2]

Анализ условий самовоспламенения сжатого

Проведен обзор работ за последние 15 лет по проблеме водородной безопасности. Приведены условия, при которых происходит самовоспламенение струи водорода, истекающей под высоким давлением в воздух. Показано, что воспламенение водорода возможно даже при…

Водород — основа энергетики будущего?

Вскочить в уходящий поезд
Каждый год мир потребляет 55 млн тонн водорода. Вследствие выраженного намерения мощных экономик Японии и Южной Кореи — а может быть, и других стран — отказаться от углеродного топлива эта цифра, по-видимому, вскоре резко вырастет. Рост потребления водорода, по прогнозам Международного энергетического агентства, к 2030 году составит 8 млн тонн, а к 2040 году потребление этого газа достигнет 90 млн тонн. Исследования по водороду ведутся практически в каждой развитой стране. Всем хочется быть первыми пассажирами поезда в будущее, в следующий технологический уклад.

На австралийской «даровой» солнечной энергии свет клином не сошелся, считают в Европе. Ожидается, что европейский спрос на энергию в 2050 году составит около 10 000 ТВт∙ч. Это сопоставимо с цифрами доклада семи ведущих европейских газотранспортных компаний (Enagás, Fluxys, Gasunie, GRTgaz, Open Grid Europe, Snam и Teréga)»Газ для климата 2019″, в котором утверждается: потребуется около 2 900 ТВт∙ч «зеленого» водорода в дополнение к сочетанию «голубого» водорода (с использованием процесса улавливания и хранения углерода, CCS) и импорта «зеленого» водорода. К такому же мнению пришли видные ученые Фрэнк Воутерс и Ад ван Вийк, недавно опубликовавшие статью в Energy Post.

Германия ожидаемо рвется в мировые лидеры водородных технологий и намерена ежегодно инвестировать € 100 млн в исследования водородных технологий. «Сейчас мы начинаем следующий этап энергетического перехода», — заявил федеральный министр экономики Питер Альтмайер (ХДС) и сообщил, что федеральное правительство планирует принять решение о «водородной стратегии» к концу года.

Однако рациональные немцы прекрасно видят, что до эффективного использования водорода еще далеко, при электролизе теряется почти треть энергии, а при дополнительном преобразовании в метан или другое топливо — половина. В немецком Институте Фраунхофера по ветроэнергетическим системам считают, что ВИЭ никоим образом не могут удовлетворить высокий спрос страны на электроэнергию и что водород придется импортировать, как ныне — природный газ.

В Нидерландах уже несколько лет газифицируют биомассу, получая на выходе синтетический газ (смесь водорода, СО2 и СО). Газ этот идет на производство азотной кислоты, метанола, этилена, пропилена и других веществ, нужных «большой химии» и способных потеснить нефть и природный газ как сырье для химической промышленности (осталось лишь приблизить стоимость синтетического газа к стоимости природного).

Скромный (зато реалистичный) национальный план по производству «зеленого» водорода есть и у Франции. Здесь планируют производить из ВИЭ к 2023 году 10% «зеленого» водорода. Этот метод якобы позволит снизить стоимость продукта на две трети от текущей средней цены.

Даже в Норвегии пытаются преобразовать энергию ветра региона Финнмарк в водород, чтобы поставлять его на Шпицберген в качестве топлива для местной теплоэлектростанции (старая, угольная, уже закрыта).

В водородную гонку включилась и Британия: консорциум компаний под руководством EDF Energy планирует построить близ АЭС «Хейшем» завод по производству водорода. Цель проекта Hydrogen to Heysham (h3H) — проверить потенциал использования электролизеров, подключенных к АЭС «Хейшем». Как и у каждой британской атомной станции, у АЭС «Хейшем» есть вода, водоподготовка и железная дорога. Проект h3H предусматривает добавление к этим компонентам электролизера и устройства сжижения газа (или газов, поскольку на «побочный продукт» — кислород — тоже имеется спрос). Авторы проекта полагают, что энергия атомной станции сделает производство более рентабельным, чем возобновляемая энергия. Технико-экономическое обоснование вскоре будет готово, а затем, в 2020 году, наступит второй этап проекта — двухлетнее строительство демонстрационной установки. Если опытное производство покажет экономическую жизнеспособность, промышленное производство водорода развернут не позднее 2030 года. Преимуществом проекта h3H считается то, что электролиз воды с помощью энергии атома не будет оставлять «углеродного следа».

В принципе, производство водорода можно наладить при всех восьми атомных электростанциях Великобритании, но графство Ланкастер, население и бизнес-сообщество которого желает отказаться от ископаемого топлива, первым вскочило в отправляющийся поезд вместе с Университетом Ланкастер, энергокомпанией Heysham Power Stations, исследовательской командой EDF Energy R&D, компанией Atkins, Европейским институтом энергетических исследований и Hynamics, подразделением EDF Group по водороду. Британская Комиссия по климатическим изменениям считает, что к 2050 году производство водорода должно обеспечить топливом газовые электростанции страны.

Тем временем в британском Лидсе энергетическая компания Northern Gas Networks готовит пилотный проект h31. Он похож на эксперимент в германском городке Гентхин, где к природному газу в некоторых районах примешивают более 10% водорода. Однако британский проект масштабнее — он предусматривает полный перевод отопления крупного города с природного газа на водород, который получат электролизом воды на энергии морских ветропарков.

«Русгидро» и Kawasaki Heavy Industries вернулись было к обсуждаемому с 2013 года промышленному производству сжиженного водорода в Магаданской области, на дешевой электроэнергии гидроэлектростанций. Однако с мая 2018 года вестей об этом проекте нет. Прорывов пока не видно, и все же публикации о новых, «зеленых» методах производства водорода появляются чуть ли не ежемесячно. Правда, они по большей части носят характер рекламы, как, например, июльское сообщение японской Eneco Holdings Inc. о способе производить огромные объемы газа с использованием очень малых количеств электроэнергии — разумеется, без выделения углекислого газа. Для этого воду, обогащенную ионами водорода, подвергают электролизу в присутствии некоего неназванного катализатора, который, по словам исследователей Eneco Holdings, производится из отходов. Скептики, правда, скажут, что проекты превращения чистой энергии воды, Солнца и атома в «еще более чистый» водород — взрывоопасный, дорогой и требующий сложных устройств хранения ввиду его чрезвычайной текучести — это «масло масленое». Но сейчас в ходу аргумент «выгод экспорта чистой энергии», и, пока у водородных проектов есть финансирование, никто не станет отказываться от водородного журавля в небе.

Сказанное выше можно резюмировать: на наших глазах зарождается отрасль производства водорода, объем которой, по мнению оптимистичных экспертов Forbes, в 2050 году составит $ 2 трлн. Пессимисты, правда, считают, что этот водородный проект развивают в порядке контрцикличной экономической политики, то есть для противодействия рецессии. А осторожные консалтинговые компании предостерегают от завышенных ожиданий и ошибочных инвестиций. Но в атмосфере развивающейся на международном уровне «зеленой» истерии их голоса почти не слышны.

В любом случае, для создания компонентов новой отрасли нужны новые инженерные решения. Их уже сейчас изобретают по всему миру — не только в Японии, но и в Германии, и в Австралии, и в Швейцарии, и в Китае… во всех странах, чьи ученые и корпорации спешат запрыгнуть в отправляющийся поезд новой индустрии.

Производство водорода: Электролиз | Департамент энергетики

Электролиз — многообещающий вариант безуглеродного производства водорода из возобновляемых и ядерных ресурсов. Электролиз — это процесс использования электричества для расщепления воды на водород и кислород. Эта реакция происходит в устройстве, называемом электролизером. Размер электролизеров может варьироваться от небольшого оборудования размером с прибор, которое хорошо подходит для мелкомасштабного распределенного производства водорода, до крупномасштабных центральных производственных объектов, которые могут быть напрямую связаны с возобновляемыми или другими формами энергии, не выделяющими парниковых газов. производство электроэнергии.

Как это работает?

Как и топливные элементы, электролизеры состоят из анода и катода, разделенных электролитом. Различные электролизеры работают по-разному, в основном из-за разного типа используемого электролита и ионных частиц, которые он проводит.

Электролизеры с мембраной из полимерного электролита

В электролизере с мембраной из полимерного электролита (ПЭМ) электролит представляет собой твердый специальный пластиковый материал.

• Вода реагирует на аноде с образованием кислорода и положительно заряженных ионов водорода (протонов).
• Электроны проходят через внешнюю цепь, а ионы водорода избирательно перемещаются через ФЭУ к катоду.
• На катоде ионы водорода соединяются с электронами из внешней цепи, образуя газообразный водород. Анодная реакция: 2H ₂ O → O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^— Катодная реакция: 4H ⁺ + 4e ^— → 2H _{94 2 94}

Щелочные электролизеры

Щелочные электролизеры работают за счет транспорта ионов гидроксида (OH ^—) через электролит от катода к аноду с образованием водорода на стороне катода. Электролизеры, в которых в качестве электролита используется жидкий щелочной раствор гидроксида натрия или калия, уже много лет имеются в продаже. Новые подходы с использованием твердых щелочных обменных мембран (AEM) в качестве электролита показывают многообещающие результаты в лабораторных масштабах.

Электролизеры твердого оксида

Электролизеры твердого оксида, в которых в качестве электролита используется твердый керамический материал, избирательно проводящий отрицательно заряженные ионы кислорода (O ^2-) при повышенных температурах генерируют водород несколько другим способом.

• Пар на катоде соединяется с электронами из внешней цепи с образованием газообразного водорода и отрицательно заряженных ионов кислорода.
• Ионы кислорода проходят через твердую керамическую мембрану и реагируют на аноде, образуя газообразный кислород и генерируя электроны для внешней цепи.

Твердооксидные электролизеры должны работать при температурах, достаточно высоких для нормального функционирования твердооксидных мембран (около 700–800 °C по сравнению с электролизерами на основе PEM, которые работают при 70–90°C и коммерческие щелочные электролизеры, которые обычно работают при температуре ниже 100°C). Усовершенствованные лабораторные твердооксидные электролизеры на основе протонпроводящих керамических электролитов демонстрируют перспективность снижения рабочей температуры до 500–600°C. Твердооксидные электролизеры могут эффективно использовать тепло, доступное при этих повышенных температурах (из различных источников, включая ядерную энергию), для уменьшения количества электроэнергии, необходимой для производства водорода из воды.

Почему рассматривается этот путь?

Электролиз — это ведущий способ производства водорода для достижения цели Hydrogen Energy Earthshot по снижению стоимости чистого водорода на 80% до 1 доллара за 1 килограмм за 1 десятилетие («1 1 1»). Водород, полученный с помощью электролиза, может привести к нулевым выбросам парниковых газов, в зависимости от используемого источника электроэнергии. Источник необходимой электроэнергии, включая его стоимость и эффективность, а также выбросы в результате производства электроэнергии, необходимо учитывать при оценке преимуществ и экономической целесообразности производства водорода с помощью электролиза. Во многих регионах страны сегодняшняя электросеть не идеальна для обеспечения электроэнергией, необходимой для электролиза, из-за выбросов парниковых газов и количества необходимого топлива из-за низкой эффективности процесса производства электроэнергии. Производство водорода с помощью электролиза используется для возобновляемых источников (ветер, солнце, гидро, геотермальная энергия) и ядерной энергии. Эти пути производства водорода приводят к практически нулевым выбросам парниковых газов и загрязняющих веществ; тем не менее, стоимость производства должна быть значительно снижена, чтобы быть конкурентоспособным с более зрелыми способами, основанными на углероде, такими как риформинг природного газа.

Потенциал для синергии с производством энергии из возобновляемых источников
Производство водорода посредством электролиза может предложить возможности для синергии с динамической и прерывистой выработкой энергии, что характерно для некоторых технологий возобновляемых источников энергии. Например, хотя стоимость энергии ветра продолжает снижаться, присущая ветру изменчивость является препятствием для эффективного использования энергии ветра. Водородное топливо и производство электроэнергии могут быть интегрированы в ветряную электростанцию, что позволит гибко переключать производство, чтобы наилучшим образом соответствовать доступности ресурсов с эксплуатационными потребностями системы и рыночными факторами. Кроме того, во времена избыточного производства электроэнергии ветряными электростанциями вместо того, чтобы сокращать электроэнергию, как это обычно делается, можно использовать эту избыточную электроэнергию для производства водорода путем электролиза.

Важно отметить…

• Электроэнергия в настоящее время не является идеальным источником электроэнергии для электролиза, поскольку большая часть электроэнергии вырабатывается с использованием технологий, которые приводят к выбросам парниковых газов и являются энергоемкими. Выработка электроэнергии с использованием технологий возобновляемой или ядерной энергии, либо отдельно от сети, либо в качестве растущей части сети, является возможным вариантом преодоления этих ограничений для производства водорода с помощью электролиза.
• Министерство энергетики США и другие организации продолжают усилия по снижению стоимости производства электроэнергии на основе возобновляемых источников и развитию более эффективного производства электроэнергии на основе ископаемого топлива с улавливанием, утилизацией и хранением углерода. Производство электроэнергии на основе ветра, например, быстро растет в Соединенных Штатах и ​​во всем мире.

Исследования сосредоточены на преодолении проблем

• Достижение целевого показателя стоимости чистого водорода Hydrogen Shot в размере 1 доллара США за кг H ₂ к 2030 г. (и промежуточная цель 2 долл. США/кг H ₂ к 2025 г.) за счет лучшего понимания компромиссов между производительностью, стоимостью и долговечностью электролизных систем при прогнозируемых будущих динамических режимах работы с использованием CO ₂ — без электричества .
• Снижение капитальных затрат электролизера и баланса системы.
• Повышение энергоэффективности преобразования электроэнергии в водород в широком диапазоне условий эксплуатации.
• Углубление понимания процессов деградации элементов и батарей электролизера и разработка стратегий смягчения последствий для увеличения срока службы.

Центр данных по альтернативным видам топлива: производство и распределение водорода

Несмотря на то, что водород широко распространен на Земле в качестве элемента, он почти всегда находится в составе другого соединения, такого как вода (H ₂ O) или метан (CH ₄ ), и его необходимо разделить на чистый водород (H ₂ ) для использования в электромобилях на топливных элементах. Водородное топливо соединяется с кислородом воздуха через топливный элемент, создавая электричество и воду посредством электрохимического процесса.

Производство

Водород можно производить из различных домашних ресурсов, включая ископаемое топливо, биомассу и электролиз воды с помощью электричества. Воздействие водорода на окружающую среду и энергоэффективность зависят от того, как он производится. В настоящее время реализуется несколько проектов по снижению затрат, связанных с производством водорода.

Существует несколько способов производства водорода:

• Реформинг/газификация природного газа: Синтез-газ — смесь водорода, окиси углерода и небольшого количества двуокиси углерода — образуется путем реакции природного газа с высокотемпературным паром. Окись углерода реагирует с водой с образованием дополнительного количества водорода. Этот метод является самым дешевым, эффективным и наиболее распространенным. Конверсия природного газа с использованием пара составляет большую часть водорода, ежегодно производимого в Соединенных Штатах.

  Синтез-газ также можно получить путем реакции угля или биомассы с высокотемпературным паром и кислородом в газификаторе под давлением. Это превращает уголь или биомассу в газообразные компоненты — процесс, называемый газификацией . Полученный синтез-газ содержит водород и окись углерода, которые реагируют с водяным паром для отделения водорода.

• Электролиз: Электрический ток расщепляет воду на водород и кислород. Если электричество производится из возобновляемых источников, таких как солнце или ветер, полученный водород также будет считаться возобновляемым и имеет многочисленные преимущества в отношении выбросов. Набирают силу проекты по превращению энергии в водород, в которых используется избыточная возобновляемая электроэнергия, когда она доступна, для производства водорода путем электролиза.

• Возобновляемый жидкий риформинг: Возобновляемое жидкое топливо, такое как этанол, вступает в реакцию с высокотемпературным паром для получения водорода вблизи места конечного использования.

• Ферментация: Биомасса превращается в богатое сахаром сырье, которое можно ферментировать для получения водорода.

Несколько методов производства водорода находятся в разработке:

• Высокотемпературное расщепление воды: Высокие температуры, создаваемые солнечными концентраторами или ядерными реакторами, вызывают химические реакции, в результате которых вода расщепляется с образованием водорода.

• Фотобиологическое расщепление воды: Микробы, такие как зеленые водоросли, потребляют воду в присутствии солнечного света и производят водород в качестве побочного продукта.

• Фотоэлектрохимическое расщепление воды: Фотоэлектрохимические системы производят водород из воды с использованием специальных полупроводников и энергии солнечного света.

Основными штатами по производству водорода являются Калифорния, Луизиана и Техас. Сегодня почти весь водород, производимый в Соединенных Штатах, используется для переработки нефти, обработки металлов, производства удобрений и переработки пищевых продуктов.

Основная проблема производства водорода заключается в снижении стоимости технологий производства, чтобы сделать получаемый водород конкурентоспособным по стоимости по сравнению с обычным транспортным топливом. Государственные и отраслевые научно-исследовательские и опытно-конструкторские проекты снижают стоимость, а также воздействие технологий производства водорода на окружающую среду. Узнайте больше о производстве водорода в офисе технологий водорода и топливных элементов.

Распределение

Большая часть водорода, используемого в Соединенных Штатах, производится там же или поблизости от места его использования, как правило, на крупных промышленных объектах. Инфраструктура, необходимая для распределения водорода по общенациональной сети заправочных станций, необходимых для широкого использования электромобилей на топливных элементах, все еще нуждается в развитии. Первоначальное развертывание транспортных средств и станций сосредоточено на создании этих распределительных сетей, в первую очередь в южной и северной Калифорнии.

В настоящее время водород распространяется тремя способами:

• Трубопровод: Это наименее затратный способ доставки больших объемов водорода, но его мощность ограничена, поскольку в настоящее время в Соединенных Штатах доступно только около 1600 миль трубопроводов для доставки водорода. Эти трубопроводы расположены вблизи крупных нефтеперерабатывающих и химических заводов в Иллинойсе, Калифорнии и на побережье Мексиканского залива.

• Прицепы с трубами высокого давления: Транспортировка сжатого газообразного водорода грузовиками, железнодорожными вагонами, кораблями или баржами в трейлерах с трубами высокого давления является дорогостоящей и используется в основном на расстояния до 200 миль или меньше.

• Танкеры для перевозки сжиженного водорода: Криогенное сжижение — это процесс, при котором водород охлаждается до температуры, при которой он становится жидким. Хотя процесс сжижения является дорогостоящим, он позволяет более эффективно транспортировать водород (по сравнению с автоцистернами высокого давления) на большие расстояния на грузовиках, железнодорожных вагонах, кораблях или баржах. Если сжиженный водород не используется с достаточно высокой скоростью в точке потребления, он выкипает (или испаряется) из своих емкостей. В результате скорость доставки и потребления водорода должна быть тщательно согласована.

Создание инфраструктуры для распределения и доставки водорода к тысячам будущих индивидуальных заправочных станций сопряжено со многими проблемами. Поскольку водород содержит меньше энергии на единицу объема, чем все другие виды топлива, его транспортировка, хранение и доставка к месту конечного использования обходится дороже в пересчете на бензиновый галлон. Строительство новой сети трубопроводов для водорода связано с высокими первоначальными капитальными затратами, а свойства водорода создают уникальные проблемы для материалов трубопроводов и конструкции компрессоров. Однако, поскольку водород можно производить из самых разных ресурсов, региональное или даже местное производство водорода может максимально использовать местные ресурсы и свести к минимуму проблемы с распределением.

Необходимо учитывать компромисс между централизованным и распределенным производством. Централизованное производство водорода на крупных заводах снижает производственные затраты, но увеличивает затраты на сбыт. Производство водорода в точке конечного использования — например, на заправочных станциях — снижает затраты на распределение, но увеличивает производственные затраты из-за затрат на создание производственных мощностей на месте.

Правительственные и отраслевые научно-исследовательские и опытно-конструкторские проекты преодолевают барьеры на пути к эффективному распределению водорода. Узнайте больше о распределении водорода в офисе технологий водорода и топливных элементов.

Новый материал выделяет водород из воды с почти идеальной эффективностью

Увеличить

НАСА/Димитри Герондидакис

В настоящее время в солнечной энергетике преобладают фотогальванические устройства, которые перешли от огромной экономии за счет масштаба к доминированию в цене. Но эти устройства не обязательно являются лучшим выбором во всех обстоятельствах. Если технология аккумуляторов не улучшится, добавление значительной емкости для производства солнечной энергии обходится довольно дорого. И есть виды транспорта — междугородний железнодорожный, воздушный — где аккумуляторы не являются отличным решением. Эти ограничения заставили исследователей поддерживать интерес к альтернативным способам использования солнечной энергии.

Одним из альтернативных вариантов является использование энергии для производства портативного топлива, такого как углеводород или водород. Это можно сделать с электронами, производимыми фотогальваническими системами, но дополнительные шаги могут снизить эффективность. Однако системы, которые более непосредственно преобразуют солнечный свет в топливо, имеют еще более низкую эффективность.

Но японская группа решила решить эту проблему эффективности. Команда начала с материала, который не очень хорош — он поглощает только УФ-излучение — но хорошо изучен. И исследователи выяснили, как оптимизировать его, чтобы его эффективность при расщеплении воды с выделением водорода достигала теоретического максимума. Хотя сам по себе он бесполезен, он может указать путь к разработке более качественных материалов.

Много недостатков

Почему материалы плохо используют энергию солнечного света для расщепления воды? Подумайте обо всем, что они должны сделать. Для начала они должны быть приличными фотогальваническими материалами, эффективно преобразовывающими фотоны в свободные электроны и соответствующие дырки с положительным зарядом. Материалы должны каким-то образом удерживать эти два заряда от рекомбинации, когда они пробиваются к поверхности, где они могут взаимодействовать с водой. Как только заряды оказываются на поверхности, материал также должен действовать как катализатор, разбивая открытую воду и выделяя водород и кислород. Эта последняя часть непроста, так как образование кислорода происходит за счет дырок, а для производства водорода требуются электроны, а это означает, что эти два процесса должны быть физически разделены.

Найти один материал, отвечающий всем этим требованиям, — непростая задача. Основной материал, который здесь используется, оксид стронция-титана, использовался для этого процесса в течение десятилетий и никогда не достигал более 60 процентов своего теоретического максимума.

Подход японской команды состоял в том, чтобы устранить каждую из этих неэффективностей, хотя из документа не совсем ясно, было ли каждое из их решений полностью преднамеренным.

Начнем с того, что их выбор материала — SrTiO ₃ — определяет эффективность преобразования фотонов в электроны и дырки. Он очень хорош в этом, казалось бы, способен делать это почти с максимальной эффективностью, предсказанной теоретическими расчетами.

И благодаря его истории люди определили способы улучшения переноса зарядов внутри материала. Для этой работы исследователи легировали материал алюминием. Атомы алюминия имеют тенденцию оседать в дефектах, которые замедляют перенос зарядов, позволяя электронам и дыркам рекомбинировать. Когда атомы алюминия присутствуют, они как бы покрывают эти дефекты бумагой, позволяя зарядам свободно перемещаться по материалу.

На поверхности

Где SrTiO ₃ имеет тенденцию отставать, так это в катализе. Важно отметить, что в статье показано, как авторам удалось добиться значительных улучшений. Ряд разработанных катализаторов хорошо справляется с расщеплением воды. Но исследователям по-прежнему приходилось разделять электроны и дырки на пути к катализаторам.

Получается, что материал сделал работу за исследователей. В ходе своей работы исследователи обнаружили, что электроны и дырки появляются на разных участках поверхности SrTiO 9.0018 3 . В то время как поверхность материала выглядит ровной и гладкой на первый взгляд, разные области обнажают разные грани лежащей в основе кристаллической структуры на атомарном уровне. И как оказалось, из-за этих различий электроны и дырки уходят на разные поверхности.

Удивительно, но исследователи поняли это, нанеся дополнительный катализатор поверх SrTiO ₃ . Они использовали процесс, называемый фотоосаждением, в котором фотоны высокой энергии используются для химической связи вещества с подстилающей поверхностью. В этом случае подстилающей поверхностью является SrTiO ₃ , и использовались те же длины волн, что и для образования электронов и дырок. В результате соответствующие катализаторы оказались связаны с теми же областями, куда были доставлены необходимые им заряды.

Для части реакции, производящей водород, исследователи использовали катализатор на основе родия, который будет работать как для производства кислорода, так и для производства водорода. Но он был объединен с оксидом хрома, который физически блокировал взаимодействие кислорода с катализатором. Это гарантировало, что электроны окажутся там, где прореагировал катализатор водорода. Эти химические вещества были отложены в результате реакции восстановления, гарантируя, что они окажутся там, где есть запас электронов.

Тем временем кобальт-кислородный катализатор был нанесен посредством реакции окисления, гарантируя, что он будет связан с областями, снабженными отверстиями. В результате этот катализатор для производства кислорода в конечном итоге отложился только там, где были предусмотрены необходимые ему отверстия.

Подводя итог, можно сказать, что структура нижележащих материалов доставляет электроны и дырки в различные области материала SrTiO ₃ . Исследователи выяснили, как использовать этот факт, чтобы связать соответствующие катализаторы именно с этими сайтами.

На грани теории

Невозможно сказать, насколько эффективен каждый отдельный шаг с точки зрения преобразования поступающих фотонов в конечные продукты, водород и кислород. Систему можно рассматривать только в целом, и с этой точки зрения она чрезвычайно впечатляет: общий КПД составляет 96 процентов от максимально возможного КПД, полученного из теоретических расчетов. Таким образом, каждая отдельная стадия процесса, вероятно, будет работать почти с теоретической эффективностью.

Эта новость просто фантастическая, если не считать той части, где для работы процесса требуются ультрафиолетовые фотоны. Солнце производит большую часть своей энергии в не-УФ-длинах волн, и большая часть УФ-излучения отфильтровывается нашей атмосферой. Так что этот конкретный материал не станет двигателем водородной революции.

Ключевым моментом этого исследования является то, что он определил принцип, с помощью которого мы могли бы создать катализатор, который мог бы привести к такой революции. Существует широкий спектр материалов, которые могут использовать свет, в том числе в видимой области спектра, для плохого катализа производства водорода. Существует гораздо большая коллекция фотогальванических материалов, которые могли бы сделать то же самое в сочетании с правильными катализаторами. Описанная здесь работа дает рецепт, который может превратить некоторые из них в полезные материалы.

Избавьтесь от дефектов. Найдите материал, в котором электроны и дырки проходят через материал разными путями. Используйте присутствие электронов и дырок, чтобы связать нужные катализаторы с источниками заряда. Если это сработает с лучшим исходным материалом, мы сможем производить водород с помощью чрезвычайно простой системы.

Nature , 2020. DOI: 10.1038/s41586-020-2278-9 (О DOI).

Новый способ получения водородного топлива из морской воды

Исследователи из Стэнфорда разработали способ производства водородного топлива с использованием солнечной энергии, электродов и соленой воды из залива Сан-Франциско.

Хунцзе Дай и его исследовательская лаборатория в Стэнфордском университете разработали прототип, который может производить водородное топливо из морской воды. (Изображение предоставлено H. Dai, Yun Kuang, Michael Kenney)

Выводы, опубликованные 18 марта в Proceedings of the National Academy of Sciences , демонстрируют новый способ выделения газообразного водорода и кислорода из морской воды с помощью электричества. Существующие методы разделения воды основаны на использовании высокоочищенной воды, которая является ценным ресурсом и требует больших затрат в производстве.

Теоретически для питания городов и автомобилей «нужно столько водорода, что невозможно использовать очищенную воду», — сказал Хунцзе Дай, J.G. Джексон и С. Дж. Вуд, профессор химии Стэнфордской школы гуманитарных и естественных наук, а также соавтор статьи. «У нас едва хватает воды для наших текущих потребностей в Калифорнии».

Водород является привлекательным вариантом топлива, поскольку он не выделяет углекислый газ, сказал Дай. Сжигание водорода производит только воду и должно облегчить усугубление проблемы изменения климата.

Дай сказал, что его лаборатория продемонстрировала демонстрацию концепции, но исследователи оставят на усмотрение производителей масштабирование и массовое производство конструкции.

Борьба с коррозией

В принципе, разделение воды на водород и кислород с помощью электричества, называемое электролизом, является простой и старой идеей: источник питания подключается к двум электродам, помещенным в воду. Когда питание включается, газообразный водород выходит из отрицательного конца, называемого катодом, а пригодный для дыхания кислород выходит из положительного конца, анода.

Но отрицательно заряженный хлорид в соли морской воды может разъедать положительный конец, ограничивая срок службы системы. Дай и его команда хотели найти способ помешать этим компонентам морской воды разрушить погруженные в воду аноды.

Исследователи обнаружили, что если покрыть анод слоями, богатыми отрицательными зарядами, эти слои отталкивают хлориды и замедляют распад нижележащего металла.

Они нанесли слой гидроксида никеля и железа поверх сульфида никеля, который покрывает сердцевину из вспененного никеля. Пена никеля действует как проводник, передавая электричество от источника питания, а гидроксид никеля и железа запускает электролиз, разделяя воду на кислород и водород. Во время электролиза сульфид никеля превращается в отрицательно заряженный слой, который защищает анод. Подобно тому, как отрицательные концы двух магнитов соприкасаются друг с другом, отрицательно заряженный слой отталкивает хлорид и не позволяет ему достичь металлического сердечника.

Без отрицательно заряженного покрытия анод работает только около 12 часов в морской воде, по словам Майкла Кенни, аспиранта лаборатории Дай и соавтора статьи. «Весь электрод разваливается в крошку», — сказал Кенни. «Но с этим слоем он может работать более тысячи часов».

Предыдущие исследования по разделению морской воды на водородное топливо проводились с низким уровнем электрического тока, потому что при более высоких токах возникает коррозия. Но Дай, Кенни и их коллеги смогли провести в 10 раз больше электроэнергии с помощью своего многослойного устройства, которое помогает ему быстрее генерировать водород из морской воды.

— Думаю, мы установили рекорд скорости течения, разделяющей морскую воду, — сказал Дай.

Члены команды проводили большую часть испытаний в контролируемых лабораторных условиях, где они могли регулировать количество электричества, поступающего в систему. Но они также разработали демонстрационную машину на солнечной энергии, которая производила газообразный водород и кислород из морской воды, собранной в заливе Сан-Франциско.

И без риска коррозии от солей устройство соответствует современным технологиям, использующим очищенную воду. «Впечатляющим в этом исследовании было то, что мы смогли работать с электрическими токами, которые сегодня используются в промышленности», — сказал Кенни.

Удивительно просто

Оглядываясь назад, Дай и Кенни видят простоту своего дизайна. «Если бы у нас был хрустальный шар три года назад, он был бы сделан за месяц», — сказал Дай. Но теперь, когда разработан основной рецепт электролиза морской воды, новый метод откроет двери для увеличения доступности водородного топлива, работающего на солнечной или ветровой энергии.

В будущем эту технологию можно будет использовать не только для производства энергии. Поскольку этот процесс также производит пригодный для дыхания кислород, дайверы или подводные лодки могут доставлять устройства в океан и генерировать кислород внизу, не поднимаясь на поверхность для получения воздуха.

Что касается передачи технологии, «можно просто использовать эти элементы в существующих системах электролизеров, и это может быть довольно быстро», — сказал Дай. «Это не то же самое, что начинать с нуля — это больше похоже на то, чтобы начинать с 80 или 90 процентов».

Среди других соавторов — приглашенный ученый Юн Куанг из Пекинского химико-технологического университета и Юнтао Мэн из Шаньдунского университета науки и технологий. Дополнительные авторы включают Wei-Hsuan Hung, Yijin Liu, Jianan Erick Huang, Rohit Prasanna и Michael McGehee.

Эта работа финансировалась Министерством энергетики США, Национальным научным фондом, Национальным научным фондом Китая и Национальным ключевым научно-исследовательским проектом Китая.

Чтобы читать все истории о науке Стэнфорда, подпишитесь на выходящий раз в две недели Стэнфордский научный дайджест.

Производство и доставка водорода | Водород и топливные элементы | Водород и топливные элементы

Исследователи из NREL разрабатывают передовые процессы для экономичного производства водорода. из устойчивых ресурсов.

Узнайте, как NREL разрабатывает и продвигает ряд способов использования возобновляемого водорода. производство. Текстовая версия

Биологическое расщепление воды

Некоторые фотосинтезирующие микробы используют световую энергию для получения водорода из воды в виде частью их метаболических процессов. Поскольку кислород образуется вместе с водородом, фотобиологическая технология производства водорода должна преодолеть присущую ей чувствительность к кислороду. ферментативных систем, выделяющих водород. Исследователи NREL решают эту проблему путем скрининг встречающихся в природе организмов, которые более устойчивы к кислороду и путем создание новых генетических форм организмов, способных поддерживать производство водорода в наличие кислорода. Исследователи также разрабатывают новую систему, которая использует метаболический переключение (депривация серы) на цикличность клеток водорослей между фотосинтетическим ростом этап и этап производства водорода.

Контактное лицо: Мария Гирарди

Ферментация

Ученые NREL разрабатывают технологии предварительной обработки для преобразования лигноцеллюлозных биомассы в богатое сахаром сырье, которое можно напрямую ферментировать для получения водорода, этанол и дорогостоящие химикаты. Исследователи также работают над выявлением консорциума Clostridium, которые могут непосредственно ферментировать гемицеллюлозу до водорода. Другое исследование области включают биоразведку эффективных целлюлозолитических микробов, таких как Clostridium thermocellum, который может сбраживать кристаллическую целлюлозу непосредственно в водород для снижения затраты на сырье. Как только модельная целлюлозолитическая бактерия идентифицирована, ее потенциал для генетических манипуляций, включая чувствительность к антибиотикам и легкость генетического преобразования, будет определено. Будущие проекты ферментации NREL будут сосредоточены по разработке стратегий создания мутантов, которые избирательно блокируются от производства отработанные кислоты и растворители для максимального выхода водорода.

Контактное лицо: Pin-Ching Maness

Конверсия биомассы и отходов

Водород может быть получен путем пиролиза или газификации ресурсов биомассы, таких как сельскохозяйственные отходы, такие как скорлупа арахиса; потребительские отходы, включая пластик и отходы жир; или биомасса, специально выращенная для использования в качестве энергии. Пиролиз биомассы производит жидкий продукт (био-масло), содержащий широкий спектр компонентов, которые можно разделены на ценные химические вещества и топливо, включая водород. исследователи NREL в настоящее время сосредоточены на производстве водорода путем каталитического риформинга пиролиза биомассы. товары. Конкретные области исследований включают преобразование потоков пиролиза и разработку и испытания псевдоожижаемых катализаторов.

Контактное лицо: Ричард Френч

Фотоэлектрохимическое расщепление воды

Самый чистый способ производства водорода — это использование солнечного света для прямого расщепления воды. на водород и кислород. Технология многопереходных элементов, разработанная фотогальваническими промышленность используется для фотоэлектрохимических (PEC) светособирающих систем, которые генерируют достаточное напряжение для разделения воды и стабильны в среде вода/электролит. Система PEC, разработанная NREL, производит водород из солнечного света без затрат. и усложнение электролизеров, при эффективности преобразования солнечной энергии в водород На 12,4% ниже теплотворная способность при использовании захваченного света. Ведутся исследования, чтобы выявить больше эффективные, недорогие материалы и системы, долговечные и устойчивые к коррозии в водной среде.

Контактное лицо: Джон Тернер или Тодд Дойч

Расщепление солнечной термальной воды

Исследователи NREL используют реактор High-Flux Solar Furnace для концентрации солнечной энергии и создания температур от 1000 до 2000 градусов Цельсия. Для термохимической реакции необходимы сверхвысокие температуры. циклов для получения водорода. Такой высокотемпературный, сильнодействующий, работающий от солнечной энергии термохимический процессы предлагают новый подход к экологически безопасному производству водорода. Очень высокие скорости реакции при этих повышенных температурах приводят к очень быстрой реакции. ставки, которые значительно повышают производительность и более чем компенсируют прерывистый характер солнечного ресурса.

Контактное лицо: Джуди Неттер

Возобновляемый электролиз

Возобновляемые источники энергии, такие как фотогальваника, ветер, биомасса, гидро- и геотермальная энергия может обеспечить чистую и устойчивую электроэнергию для нашей нации. Однако возобновляемая энергия источники естественно изменчивы, требуя накопления энергии или гибридной системы для размещения суточные и сезонные изменения. Одно из решений состоит в том, чтобы производить водород путем электролиза — расщепления. электрическим током — воды и использовать этот водород в топливном элементе для производства электроэнергии в периоды низкой выработки электроэнергии или пикового спроса, или использовать водород в автомобилях на топливных элементах.

Исследователи Центра интеграции энергетических систем NREL и Центра испытаний и исследований водородной инфраструктуры изучают вопросы, связанные с использованием возобновляемых источников энергии для производства водорода путем электролиза воды. NREL тестирует интегрированные системы электролиза и исследует варианты конструкции для снижения капитальных затрат и повышения производительности.

Узнайте больше об исследованиях NREL в области возобновляемого электролиза.

Контактное лицо: Кевин Харрисон

Надежность шланга дозатора водорода

Компания NREL уделяет особое внимание снижению затрат и повышению надежности и безопасности. ускоренное тестирование и циклирование шлангов для подачи водорода на 700 бар в Центре интеграции энергетических систем с использованием автоматизированной робототехники для имитации полевых условий. Посмотрите видео робота, который имитирует повторяющееся напряжение человека, сгибающегося и скручивающегося шланг для подачи водорода в бортовой накопительный бак автомобиля на топливных элементах. Исследователи проводить механические, термические испытания и испытания под давлением на новых и бывших в употреблении дозаторах водорода шланги. Материал шланга анализируется для выявления инфильтрации водорода, охрупчивания, и возникновение/распространение трещин.

Контактное лицо: Кевин Харрисон

Анализ путей производства и доставки водорода

NREL выполняет системный анализ различных видов устойчивого производства водорода и пути доставки. Эти усилия сосредоточены на определении улучшений статуса, от технологических достижений, затрат как функции объема производства и потенциального для снижения затрат. Результаты помогают выявить препятствия на пути к успеху этих путей, драйверы основных затрат и остающиеся проблемы НИОКР. Разработанные NREL тематические исследования анализа водорода обеспечивают прозрачные прогнозы текущих и будущих затрат на производство водорода. Узнайте больше о работе системного анализа NREL.

Контактное лицо: Женевьева Саур

Сеть энергетических материалов HydroGEN

NREL является ведущей лабораторией консорциума Сети энергетических материалов HydroGEN (EMN).

Последние публикации

Прямое преобразование солнечной энергии в водород с помощью инвертированного метаморфического многопереходного полупроводника Архитектура, Энергия природы (2017)

Замечательная стабильность немодифицированных фотокатодов GaAs при выделении водорода в Кислотный электролит, Журнал химии материалов A (2016)

Эффективность перехода от солнечной энергии к водородной: яркий свет на производительность фотоэлектрохимических устройств, Науки об энергетике и окружающей среде (2016)

Обратимая пассивация поверхности GaInP2 за счет адсорбции воды: модельная система для Фотолюминесценция, Journal of Physical Chemistry C (2016)

Одноуглеродный метаболизм, фиксирующий СО2, в бактерии, разлагающей целлюлозу Clostridium thermocellum, Труды Национальной академии наук (2016)

Путь фосфокетолазы способствует метаболизму углерода у цианобактерий, Nature Plants (2016)

Контакты

Huyen Dinh

Эл. мощность, необходимая для ключевой реакции производства водорода в качестве источника чистой энергии — расщепления молекул воды с образованием водорода и кислорода. Однако такие усилия по большей части не увенчались успехом, потому что делать это хорошо было слишком дорого, а попытки сделать это с низкими затратами приводили к низкой производительности.

Теперь исследователи из Техасского университета в Остине нашли недорогой способ решить одну половину уравнения, используя солнечный свет для эффективного отделения молекул кислорода от воды. Открытие, опубликованное недавно в Nature Communications , представляет собой шаг вперед к более широкому внедрению водорода в качестве ключевой части нашей энергетической инфраструктуры.

Еще в 1970-х годах исследователи изучали возможность использования солнечной энергии для производства водорода. Но невозможность найти материалы с комбинацией свойств, необходимых для устройства, которое может эффективно проводить ключевые химические реакции, помешала этому методу стать основным.

«Вам нужны материалы, которые хорошо поглощают солнечный свет и в то же время не разлагаются во время реакции расщепления воды», — сказал Эдвард Ю, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники Школы Кокрелла. «Оказывается, материалы, которые хорошо поглощают солнечный свет, как правило, нестабильны в условиях, необходимых для реакции расщепления воды, в то время как стабильные материалы, как правило, плохо поглощают солнечный свет. Эти противоречивые требования приводят вас к, казалось бы, неизбежному компромиссу. , но путем объединения нескольких материалов — одного, который эффективно поглощает солнечный свет, такого как кремний, и другого, который обеспечивает хорошую стабильность, такого как диоксид кремния — в одном устройстве, этот конфликт может быть разрешен».

Однако возникает еще одна проблема: электроны и дырки, образующиеся при поглощении солнечного света кремнием, должны иметь возможность легко перемещаться по слою диоксида кремния. Для этого обычно требуется слой диоксида кремния толщиной не более нескольких нанометров, что снижает его эффективность в защите поглотителя кремния от разрушения.

Ключом к этому прорыву стал метод создания токопроводящих дорожек через толстый слой диоксида кремния, который можно выполнить с низкими затратами и масштабировать до больших объемов производства. Чтобы добиться этого, Ю и его команда использовали технику, впервые примененную при производстве полупроводниковых электронных микросхем. Покрывая слой диоксида кремния тонкой пленкой алюминия и затем нагревая всю структуру, формируются массивы наноразмерных «шипов» алюминия, которые полностью перекрывают слой диоксида кремния. Затем их можно легко заменить никелем или другими материалами, которые помогают катализировать реакции расщепления воды.

реклама

При освещении солнечным светом устройства могут эффективно окислять воду с образованием молекул кислорода, а также генерировать водород на отдельном электроде и демонстрировать исключительную стабильность при длительной работе. Поскольку методы, используемые для создания этих устройств, обычно используются в производстве полупроводниковой электроники, их должно быть легко масштабировать для массового производства.

Команда подала предварительную заявку на патент для коммерциализации технологии.

Улучшение способа производства водорода является ключом к его превращению в жизнеспособный источник топлива. Большая часть производства водорода сегодня происходит за счет нагревания пара и метана, но это в значительной степени зависит от ископаемого топлива и приводит к выбросам углерода.

Существует стремление к «зеленому водороду», который использует более экологически безопасные методы для производства водорода. И упрощение реакции расщепления воды является ключевой частью этих усилий.

Водород может стать важным возобновляемым ресурсом с некоторыми уникальными свойствами. Он уже играет важную роль в важных промышленных процессах и начинает проявляться в автомобильной промышленности. Аккумуляторы на топливных элементах выглядят многообещающе для дальних грузоперевозок, а водородная технология может стать благом для хранения энергии, поскольку она способна накапливать избыточную ветровую и солнечную энергию, произведенную, когда для них созреют условия.