Чтобы вещество смогло проводить электрический ток, в нем должны присутствовать заряженные частицы, способные свободно перемещаться через весь его объем под действием приложенного электрического поля. В металлических проводниках, например, такими заряженными частицами выступают свободные электроны, а в электролитах — положительно и отрицательно заряженные ионы.

Диэлектрики вовсе не проводят постоянный электрический ток, поскольку заряженные частицы в их структуре хотя и есть, однако они связаны друг с другом, и не могут свободно перемещаться, образуя ток.

Но переменный ток пропускают даже диэлектрики, это называется током смещения, например конденсатор в цепи переменного тока на определенной частоте будет проводить ток так, словно является проводником.

Обычная неочищенная вода

Что касается обычной воды (речной, водопроводной, особенно — морской и т. д.), то в ней всегда присутствуют растворенные минеральные вещества, которые под действием приложенного электрического поля распадаются на ионы, способные двигаться как в электролите.

По этой причине обычная неочищенная вода проводит ток, ведя себя подобно слабому электролиту. Если через такую воду попытаться пропустить ток, то в течение небольшого времени он будет через нее идти, хотя и слабо.

Теоретически идеально чистая вода

Теоретически, если воду полностью очистить от примесей, то есть удалить из ее объема абсолютно все вещества, включая соли, газы, остатки кислот, то она станет диэлектриком, и будет вести себя как изолятор.

В ней не будет ионов, способных двигаться под действием электрического поля и образовывать ток, а сами молекулы воды — электрически нейтральны. Такую воду можно было бы использовать, например, в качестве диэлектрика между пластинами конденсатора.

Реальная дистиллированная вода

Но в реальности даже дистиллированная вода (вода, очищенная путем испарения с последующей конденсацией пара) не бывает абсолютно чистой.

Есть российский ГОСТ 6709-72, определяющий массовую концентрацию остатка примесей в такой дистиллированной воде — не более 5 мг на литр, и минимальное удельное сопротивление не менее 2 кОм*м.

То есть куб дистиллированной воды со стороной длиной в 1 метр, с приложенными к нему по краям электродами, будет иметь сопротивление минимум 2 кОм. А если представить разлитую по полу дистиллированную воду, скажем, в объеме одного стакана (200 мл), то ее сопротивление в лучшем случае окажется 200 кОм. Можно сказать, что это практически — диэлектрик.

Нет смысла пытаться использовать такую воду как проводник постоянного тока. С этой точки зрения дистиллированная вода не проводит электрический ток. Ее обычно используют для коррекции плотности электролитов.

Почему стоит опасаться контакта любой воды с электричеством

Однако люди не зря боятся контакта любой воды с электричеством, особенно — с переменным напряжением из розетки. Даже сетевое напряжение с провода, упавшего в лужу воды, на которую может случайно наступить человек, способно вызвать миллиамперный переменный ток, которого будет достаточно для причинения организму вреда.

Человеческое тело и фаза из розетки, соединенные через лужу разлитой воды, образуют цепь с реактивными элементами, и если человек в такой ситуации случайно коснется заземленного предмета, то его ударит током. Вот почему необходимо избегать контакта электричества с водой. Как вы понимаете, с дистиллированной водой риск причинения вреда меньше, но он все равно остается. Поэтому лучше избегать попадания любой воды на электрические приборы.

Источник

Расщепление воды с эффективностью 100%: полдела сделано

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

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

Осталось усовершенствовать полуреакцию окисления.

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

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

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

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

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

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

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

Научная работа опубликована в журнале Nano Letters (зеркало).

Источник

Передача энергии по воде и однопроводная передача

Привет хабр. Сегодня я хочу рассказать о необычном явлении, которое я наблюдал в результате эксперимента. Скажу сразу ничего общего с ИТ и объяснений с научной точки зрения не будет.
А будет «качер», ёмкость с водой, испорченные лампочки и любопытство познать новое! Кому стало интересно – прошу, заходите, будет весело.

Начну издалека, а именно с Николы Тесла. С того самого человека которого до сих пор не могут определить к кому причислять к великим изобретателям или шарлатанам. Говорят, он мог передавать энергию по тонкой вольфрамовой нити, ездил на машине без топлива и творил прочую магию. Я не знаю что в этом правда, а что нет, но это и не важно потому, что речь пойдет о открытии Станислава Авраменко, который ссылался на Теслу поэтому я и вспомнил про этого человека.
С. Авраменко смог передать энергию по одному проводнику и использовать данный эффект для питания активной нагрузки. Он открыл, что если преобразовать электричество в высокочастотные импульсы, то замкнутая цепь больше не нужна и сам проводник служит как направление для энергии, а не как передатчик. Самое интересное в том, что неважно с чего сделан проводник и какое у него сечение, главное направление.
Я смог повторить его эксперименты еще два года назад. Но недавно я решил использовать воду вместо проводника и эксперимент увенчался успехом.
Ниже есть две вырезки из газеты, которые дали толчок для моих исследований в этой среде.

Думаю, прочитав статьи вы поняли, что не все так было просто. Немного бессонных ночей и я додумал недостающие элементы в схеме автора.
Ну, теперь о самом эксперименте с водой. У меня не было уверенности о работе новой схемы. Мне просто во время написания пары интересных строчек кода захотелось достать установку и попробовать воду как проводник в этой схеме.
Ниже я снял сам эксперимент с водой и с испорченными лампочками. Хотя цифровик упорно отказывался сотрудничать.

В видео ниже мои первые эксперименты с установкой. Там я повторяю эксперименты Авраменка и жарю сало.

Источник

Электролиз воды — Electrolysis of water

Электролиз воды — это процесс использования электричества для разложения воды на кислород и водород с помощью процесса, называемого электролизом . Выделяемый таким образом газообразный водород можно использовать в качестве водородного топлива или смешивать с кислородом для создания газообразного кислорода , который используется при сварке и других применениях.

Электролиз, иногда называемый расщеплением воды , требует минимальной разности потенциалов 1,23 вольт .

СОДЕРЖАНИЕ

История

Ян Рудольф Дейман и Адриан Паэтс ван Троствейк использовали в 1789 году электростатическую машину для производства электричества, которое разряжалось на золотых электродах в лейденской банке с водой. В 1800 году Алессандро Вольта изобрел гальваническую батарею , а несколько недель спустя английские ученые Уильям Николсон и Энтони Карлайл использовали ее для электролиза воды. В 1806 году Хамфри Дэви сообщил о результатах обширных экспериментов по электролизу дистиллированной воды, сделав вывод о том, что азотная кислота образуется на аноде из растворенного атмосферного азота. Он использовал высоковольтную батарею и инертные электроды и сосуды, такие как конусы золотых электродов, которые дублировались как сосуды, перекрытые влажным асбестом. Когда Зеноб Грамм изобрел машину Грамма в 1869 году, электролиз воды стал дешевым методом производства водорода. Метод промышленного синтеза водорода и кислорода электролизом был разработан Дмитрием Лачиновым в 1888 году.

Принцип

Источник постоянного тока подключается к двум электродам или двум пластинам (обычно сделанным из инертного металла, такого как платина или иридий ), которые помещаются в воду. Водород появится на катоде (где электроны входят в воду), а кислород появится на аноде . Предполагая идеальную фарадеевскую эффективность , количество генерируемого водорода вдвое превышает количество кислорода, и оба они пропорциональны общему электрическому заряду, проводимому раствором. Однако во многих клетках происходят конкурирующие побочные реакции , приводящие к различным продуктам и менее чем идеальной фарадеевской эффективности.

Электролиз из чистой воды требует избыточной энергии в форме перенапряжения , чтобы преодолеть различные барьеры активации. Без избыточной энергии электролиз чистой воды происходит очень медленно или совсем не происходит. Отчасти это связано с ограниченной самоионизацией воды . Электрическая проводимость чистой воды составляет примерно одну миллионную, чем у морской. Во многих электролитических ячейках также могут отсутствовать необходимые электрокатализаторы . Эффективность электролиза повышается за счет добавления электролита (такого как соль , кислота или основание ) и использования электрокатализаторов .

В настоящее время электролитический процесс редко используется в промышленности, так как водород в настоящее время может быть более доступным для производства из ископаемого топлива .

Уравнения

В чистой воде на отрицательно заряженном катоде происходит реакция восстановления , при которой электроны (e — ) с катода передаются катионам водорода с образованием газообразного водорода. Полуреакции , сбалансирован с кислотой, является:

Восстановление на катоде: 2 H + ( водн. ) + 2e — → H ₂ ( г )

На положительно заряженном аноде происходит реакция окисления , генерирующая газообразный кислород и отдающая электроны аноду для замыкания цепи:

Окисление на аноде: 2 H ₂ O ( l ) → O ₂ ( г ) + 4 H + ( водн. ) + 4e —

Те же полуреакции также могут быть уравновешены основанием, указанным ниже. Не все полуреакции необходимо уравновешивать кислотой или основанием. Многие из них, например, окисление или восстановление воды, перечисленные здесь. Чтобы добавить половину реакции, обе они должны быть сбалансированы кислотой или основанием. Кислотно-сбалансированные реакции преобладают в кислых (с низким pH) растворах, тогда как реакции со сбалансированным основанием преобладают в основных (с высоким pH) растворах.

Объединение любой пары половин реакции приводит к одинаковому общему разложению воды на кислород и водород:

Таким образом, количество образующихся молекул водорода в два раза превышает количество молекул кислорода. Если предположить, что температура и давление для обоих газов одинаковы, полученный газообразный водород имеет, следовательно, вдвое больший объем, чем произведенный газообразный кислород. Количество электронов, проталкиваемых через воду, в два раза превышает количество генерируемых молекул водорода и в четыре раза больше количества генерируемых молекул кислорода.

Термодинамика

Разложение чистой воды на водород и кислород при стандартной температуре и давлении неблагоприятно с термодинамической точки зрения.

Таким образом, стандартный потенциал водной электролизной ячейки (E o _ячейка = E o _катод — E o _анод ) составляет -1,229 В при 25 ° C и pH 0 ([H + ] = 1,0 M). При 25 ° C и pH 7 ([H + ] = 1,0 × 10 -7 M) потенциал не изменяется на основании уравнения Нернста . Термодинамический стандартный потенциал ячейки может быть получен из расчетов свободной энергии в стандартном состоянии, чтобы найти ΔG °, а затем с помощью уравнения: ΔG ° = −n FE ° (где E ° — потенциал ячейки, а F — постоянная Фарадея , т. Е. 96 485,3321233 C / моль). Для двух электролизованных молекул воды и, следовательно, образования двух молекул водорода, n = 4, и ΔG ° = 474,48 кДж / 2 моль (вода) = 237,24 кДж / моль (вода), и ΔS ° = 163 Дж / К моль (вода), и ΔH ° = 571,66 кДж / 2 моль (вода) = 285,83 кДж / моль (вода) и, наконец, 141,86 МДж / кг (H ₂ ). Однако расчет равновесных потенциалов отдельных электродов требует внесения поправок с учетом коэффициентов активности. На практике, когда электрохимический элемент «доводят» до завершения путем приложения разумного потенциала, он контролируется кинетически. Следовательно, энергия активации, подвижность (диффузия) и концентрация ионов, сопротивление проволоки, поверхностное препятствие, включая образование пузырьков (вызывает закупорку площади электрода) и энтропия, требуют большего приложенного потенциала для преодоления этих факторов. Величина требуемого увеличения потенциала называется перенапряжением .

Выбор электролита

Если описанные выше процессы происходят в чистой воде, катионы H + будут потребляться / восстанавливаться на катоде, а анионы OH — потребляться / окисляться на аноде. Это можно проверить, добавив к воде индикатор pH : вода возле катода является щелочной, а вода около анода — кислой. Отрицательные ионы гидроксида, которые приближаются к аноду, в основном объединяются с положительными ионами гидроксония (H ₃ O + ) с образованием воды. Положительные ионы гидроксония, которые приближаются к катоду, в основном объединяются с отрицательными ионами гидроксида с образованием воды. Относительно небольшое количество ионов гидроксония / гидроксида достигает катода / анода. Это может вызвать перенапряжение на обоих электродах.

Чистая вода является довольно хорошим изолятором, поскольку она имеет низкую автоионизацию , K _w = 1,0 × 10 -14 при комнатной температуре, и, таким образом, чистая вода плохо проводит ток, 0,055 мкСм · см -1 . Если не применяется очень большой потенциал, вызывающий увеличение автоионизации воды, электролиз чистой воды протекает очень медленно, ограничиваясь общей проводимостью.

Если добавить водорастворимый электролит, проводимость воды значительно возрастет. Электролит распадается на катионы и анионы; анионы устремляются к аноду и нейтрализуют накопление там положительно заряженного H + ; аналогичным образом , катионы устремляются к катоду и нейтрализовать накопление отрицательно заряженных ОН — там. Это обеспечивает непрерывный поток электричества.

Электролит для электролиза воды

При выборе электролита необходимо соблюдать осторожность, поскольку анион из электролита конкурирует с ионами гидроксида, отдавая электрон . Анион электролита с меньшим стандартным электродным потенциалом, чем гидроксид, будет окисляться вместо гидроксида, и газообразный кислород не будет образовываться. Катион с большим стандартным электродным потенциалом , чем ион водорода будет уменьшен вместо этого, и ни один газообразного водорода не будет производиться.

Следующие катионы имеют более низкий электродный потенциал, чем H +, и поэтому подходят для использования в качестве катионов электролита: Li + , Rb + , K + , Cs + , Ba 2+ , Sr 2+ , Ca 2+ , Na + и Mg 2. + . Часто используются натрий и литий , так как они образуют недорогие растворимые соли.

Если в качестве электролита используется кислота , катионом является H + , и нет конкурента для H +, образованного путем отделения воды. Наиболее часто используемый анион — сульфат ( SO 2-
4 ), так как он очень трудно окисляется, при этом стандартный потенциал окисления этого иона до пероксидисульфат- иона составляет +2,010 вольт.

Сильные кислоты, такие как серная кислота (H ₂ SO ₄ ), и сильные основания, такие как гидроксид калия (KOH) и гидроксид натрия (NaOH), часто используются в качестве электролитов из-за их сильной проводящей способности.

Также можно использовать твердый полимерный электролит, такой как нафион, и при нанесении специального катализатора на каждую сторону мембраны может эффективно расщеплять молекулу воды всего лишь с 1,5 вольт. Несколько других систем с твердыми электролитами были испытаны и разработаны с несколькими системами электролиза, которые сейчас коммерчески доступны, в которых используются твердые электролиты.

Электролиз чистой воды

Безэлектролитный электролиз чистой воды достигается за счет использования электрохимических ячеек с наноразмерными зазорами с глубиной суб-Дебая . Когда зазор между катодом и анодом даже меньше, чем длина Дебая (1 микрон в чистой воде, около 220 нм в дистиллированной воде), области двойного слоя от двух электродов могут перекрываться, что приводит к равномерно сильному электрическому полю, распределенному внутри всего зазора. . Такое сильное электрическое поле может значительно улучшить перенос ионов внутри воды (в основном из-за миграции), дополнительно усиливая самоионизацию воды и поддерживая протекание всей реакции, а также демонстрируя небольшое сопротивление между двумя электродами. В этом случае две полуреакции связаны вместе и ограничиваются этапами переноса электрона (ток электролиза насыщается при дальнейшем уменьшении расстояния между электродами).

Методы

Фундаментальная демонстрация

Два провода , идущие от клемм аккумулятора, помещаются в чашку с водой с некоторым количеством электролита, чтобы установить проводимость в растворе. Использование NaCl (поваренной соли) в растворе электролита приводит к образованию газообразного хлора, а не кислорода из-за конкурирующей полуреакции . При использовании правильных электродов и правильного электролита, такого как пищевая сода ( бикарбонат натрия ), газообразные водород и кислород будут вытекать из противоположно заряженных электродов . Кислород будет собираться на положительно заряженном электроде ( аноде ), а водород будет собираться на отрицательно заряженном электроде ( катоде ). Обратите внимание, что водород в молекуле H ₂ O заряжен положительно , поэтому он попадает на отрицательный электрод. (И наоборот для кислорода.)

Обратите внимание, что водный раствор воды с ионами хлорида при электролизе приведет либо к ОН — если концентрация Cl — низкая, либо к выделению предпочтительно газообразного хлора, если концентрация Cl — больше 25% по массе в решение.

Вольтаметр Гофмана

Вольтаметр Хофмана часто используется как малогабаритная электролитическая ячейка. Он состоит из трех соединенных вертикальных цилиндров. Внутренний цилиндр сверху открыт для добавления воды и электролита. Платины электрод помещаются в нижней части каждого из двух боковых цилиндров, соединенного с положительными и отрицательными выводами источника электроэнергии . Когда ток проходит через вольтаметр Хофмана, газообразный кислород образуется на аноде (положительный) и газообразный водород на катоде (отрицательный). Каждый газ вытесняет воду и собирается в верхней части двух внешних трубок, откуда его можно отводить с помощью запорного крана.

Промышленное

Многие промышленные электролизеры очень похожи на вольтаметры Хофмана , со сложными платиновыми пластинами или сотами в качестве электродов. Как правило, водород преднамеренно получают путем электролиза только для конкретной точки использования, например, в случае кислородно-водородных горелок или когда требуется водород или кислород чрезвычайно высокой чистоты . Подавляющее большинство водорода производится из углеводородов и, как следствие, содержит следовые количества окиси углерода среди других примесей. Примесь окиси углерода может быть вредной для различных систем, включая многие топливные элементы .

Высокое давление

Электролиз под высоким давлением — это электролиз воды с выходом сжатого водорода около 12–20 МПа (120–200 бар , 1740–2900 фунтов на кв . Дюйм ). За счет повышения давления водорода в электролизере отпадает необходимость во внешнем водородном компрессоре ; средний расход энергии на внутреннее сжатие составляет около 3%.

Высокая температура

Высокотемпературный электролиз (также HTE или паровой электролиз) — это метод, который в настоящее время исследуется для электролиза воды с помощью теплового двигателя . Высокотемпературный электролиз может быть предпочтительнее традиционного электролиза при комнатной температуре, потому что часть энергии поставляется в виде тепла, что дешевле, чем электричество, и потому, что реакция электролиза более эффективна при более высоких температурах.

Алкалиновая вода

Полимерная электролитная мембрана

Никель / железо

В 2014 году исследователи анонсировали систему электролиза, сделанную из недорогих и широко распространенных никеля и железа, а не из катализаторов из драгоценных металлов, таких как платина или иридий. Структура никель-металл / оксид никеля более активна, чем чистый металлический никель или чистый оксид никеля. Катализатор значительно снижает необходимое напряжение . Также изучаются никель-железные батареи для использования в качестве комбинированных батарей и электролиза для производства водорода. Эти «баттолизеры» можно было заряжать и разряжать как обычные батареи, и они производили бы водород при полной зарядке.

Электрохимические ячейки с нанозазором

В 2017 году исследователи сообщили об использовании электрохимических ячеек с наноразмерными промежутками для достижения высокоэффективного электролиза чистой воды без электролитов при комнатной температуре. В электрохимических ячейках с нанозазором два электрода расположены так близко друг к другу (даже меньше, чем длина Дебая в чистой воде), что скорость массопереноса может быть даже выше, чем скорость переноса электрона, что приводит к двум половинным реакциям, связанным вместе и ограничен шагом переноса электрона. Эксперименты показывают, что плотность электрического тока от электролиза чистой воды может быть даже больше, чем от 1 моль / л раствора гидроксида натрия. Механизм, «Механизм виртуального пробоя», полностью отличается от хорошо известной традиционной электрохимической теории из-за такого эффекта размера наноразмеров.

Приложения

Около пяти процентов газообразного водорода, производимого во всем мире, создается путем электролиза. В настоящее время большинство промышленных методов производят водород из природного газа в процессе парового риформинга . Большая часть водорода, получаемого при электролизе, является побочным продуктом при производстве хлора и каустической соды . Это яркий пример борьбы за побочную реакцию .

В процессе хлорщелочного (электролиз рассола) смесь хлористого вода / натрия составляет только половине электролиза воды , так как хлориды ионы окисляют до хлора , а не воды окисляется с кислородом. С термодинамической точки зрения этого нельзя было ожидать, поскольку окислительный потенциал хлорид-иона меньше, чем у воды, но скорость хлоридной реакции намного выше, чем у воды, что приводит к ее преобладанию. Водород, полученный в результате этого процесса, сжигается (превращается обратно в воду), используется для производства специальных химикатов или для различных других небольших применений.

Электролиз воды также используется для производства кислорода для Международной космической станции .

Позже водород может быть использован в топливном элементе как способ хранения энергии и воды.

Кроме того, многие автомобильные компании недавно начали исследования использования воды в качестве источника топлива, преобразования ее в водород и кислород посредством электролиза воды и использования водорода в качестве топлива в водородном транспортном средстве , однако не достигли большого успеха из-за нестабильных характеристик воды. водород в качестве источника топлива.

Эффективность

Промышленная продукция

Эффективность современных генераторов водорода измеряется количеством энергии, потребляемой на стандартный объем водорода (МДж / м 3 ), принимая стандартные температуру и давление H ₂ . Чем ниже энергия, потребляемая генератором, тем выше будет его КПД; 100% -ный электролизер потребляет 39,4 киловатт-часов на килограмм (142 МДж / кг) водорода , 12 749 джоулей на литр (12,75 МДж / м 3 ). Практический электролиз (с использованием вращающегося электролизера при давлении 15 бар) может потреблять 50 кВт⋅ч / кг (180 МДж / кг) и еще 15 кВт⋅ч (54 МДж), если водород сжимается для использования в водородных автомобилях.

Поставщики электролизеров предоставляют значения эффективности, основанные на энтальпии . Чтобы оценить заявленный КПД электролизера, важно установить, как он был определен производителем (т.е. какое значение энтальпии, какая плотность тока и т. Д.).

На рынке доступны две основные технологии: электролизеры с щелочной и протонообменной мембраной (PEM). Щелочные электролизеры дешевле с точки зрения вложений (обычно в них используются никелевые катализаторы), но менее эффективны; Электролизеры PEM, наоборот, более дорогие (в них обычно используются дорогие катализаторы на основе металлов платиновой группы), но они более эффективны и могут работать при более высоких плотностях тока и, следовательно, могут быть, возможно, дешевле, если производство водорода достаточно велико.

Обычный щелочной электролиз имеет эффективность около 70%. С учетом принятого использования более высокой теплотворной способности (поскольку неэффективность из-за тепла может быть перенаправлена ​​обратно в систему для создания пара, необходимого для катализатора), средняя рабочая эффективность электролиза PEM составляет около 80%. Ожидается, что к 2030 году этот показатель вырастет до 82–86%. Теоретическая эффективность электролизеров на основе ПЭМ прогнозируется до 94%.

Учитывая промышленное производство водорода и использование лучших в настоящее время процессов электролиза воды (PEM или щелочной электролиз), которые имеют эффективный электрический КПД 70–80%, производя 1 кг водорода (с удельной энергией 143 МДж / кг) требует 50–55 кВт⋅ч (180–200 МДж) электроэнергии. При стоимости электроэнергии 0,06 долл. США / кВт · ч, как указано в целях производства водорода Министерством энергетики США на 2015 г., стоимость водорода составляет 3 долл. США / кг. Учитывая диапазон цен на природный газ с 2016 года, как показано на графике ( Дорожная карта группы технологий производства водорода, ноябрь 2017 г. ), стоимость водорода, подвергнутого паро-метановому риформингу (SMR), составляет от 1,20 до 1,50 доллара США, то есть себестоимость водорода путем электролиза. все еще превышает вдвое целевые цены на водород DOE на 2015 год. Целевая цена Министерства энергетики США на водород в 2020 году составляет 2,30 доллара США / кг, при этом стоимость электроэнергии составляет 0,037 доллара США / кВт · ч, что является достижимым с учетом тендеров PPA 2018 года для ветровой и солнечной энергии во многих регионах. Это ставит целевую задачу по распределению H ₂ в 4 доллара за галлон бензина в пределах досягаемости и приближает к несколько завышенным затратам на добычу природного газа для SMR.

В других частях света цена на водород SMR составляет в среднем 1–3 долл. США / кг. Это делает производство водорода путем электролиза конкурентоспособным по стоимости уже во многих регионах, как указано Nel Hydrogen и другими, включая статью МЭА, в которой рассматриваются условия, которые могут привести к конкурентному преимуществу электролиза.

Перенапряжение

Настоящие водные электролизеры требуют более высокого напряжения для протекания реакции. Часть, которая превышает 1,23 В, называется перенапряжением или перенапряжением и представляет любые потери и неидеальность в электрохимическом процессе.

Для хорошо спроектированной ячейки наибольшее перенапряжение является реакционным перенапряжением для четырехэлектронного окисления воды до кислорода на аноде; электрокатализаторы могут облегчить эту реакцию, и сплавы платины представляют собой современный уровень техники для этого окисления. Разработка дешевого и эффективного электрокатализатора для этой реакции была бы большим достижением и является предметом текущих исследований; Есть много подходов, среди которых 30-летний рецепт сульфида молибдена , квантовых точек графена , углеродных нанотрубок , перовскита и никеля / оксида никеля. Фосфид тримолибдена (Mo3P) недавно был обнаружен как многообещающий кандидат на недрагоценный металл и богатый землей с выдающимися каталитическими свойствами, который можно использовать в электрокаталитических процессах. Каталитические характеристики наночастиц Mo3P проверены в реакции выделения водорода (HER), что указывает на начальный потенциал всего 21 мВ, скорость образования H2 и плотность тока обмена 214,7 мкмоль с-1 г-1 кат (всего при 100 мВ). перенапряжение в мВ) и 279,07 мкА / см2, соответственно, которые являются одними из самых близких значений, наблюдаемых для платины. Более простая двухэлектронная реакция для получения водорода на катоде может быть подвергнута электрокатализу почти без перенапряжения платиной или, теоретически, ферментом гидрогеназы . Если для катода используются другие, менее эффективные материалы (например, графит ), появятся большие перенапряжения.

Термодинамика

Электролиз воды в стандартных условиях требует теоретического минимума 237 кДж подводимой электрической энергии для диссоциации каждого моля воды, что является стандартной свободной энергией Гиббса образования воды. Также требуется энергия, чтобы преодолеть изменение энтропии реакции. Следовательно, процесс не может продолжаться ниже 286 кДж на моль, если не добавляется внешнее тепло / энергия.

Поскольку на каждый моль воды требуется два моля электронов , и, учитывая, что постоянная Фарадея F представляет собой заряд моля электронов (96485 Кл / моль), следует, что минимальное напряжение, необходимое для электролиза, составляет около 1,23 В. Если электролиз выполняется при высокой температуре, это напряжение снижается. Это позволяет электролизеру работать с электрическим КПД более 100%. В электрохимических системах это означает, что в реактор необходимо подавать тепло для поддержания реакции. Таким образом, тепловая энергия может использоваться для покрытия части потребности в энергии электролиза. Аналогичным образом необходимое напряжение может быть уменьшено (ниже 1 В), если топливо (например, углерод, спирт, биомасса) вступает в реакцию с водой (электролизер на основе PEM при низкой температуре) или ионами кислорода (электролизер на основе твердого оксидного электролита при высокой температуре. ). Это приводит к тому, что часть энергии топлива используется для «поддержки» процесса электролиза и может снизить общую стоимость производимого водорода.

Однако, учитывая компонент энтропии (и другие потери), для протекания реакции при практических плотностях тока ( термонейтральное напряжение ) требуются напряжения более 1,48 В.

В случае электролиза воды свободная энергия Гиббса представляет собой минимальную работу, необходимую для протекания реакции, а энтальпия реакции — это количество энергии (как работы, так и тепла), которое необходимо обеспечить, чтобы продукты реакции имели одинаковую температуру. в качестве реагента (т.е. стандартная температура для значений, указанных выше). Потенциально электролизер, работающий при 1,48 В, будет эффективен на 100%.

Источник