Электролиз

Эта статья о химическом процессе. Информацию о процедуре косметического удаления волос см. в разделе Электрология .

Иллюстрация электролизного аппарата Хофмана, используемого в школьной лаборатории.

В химии и производстве электролиз — это метод, в котором используется постоянный электрический ток (DC) для запуска неспонтанной химической реакции . Электролиз имеет коммерческое значение как этап отделения элементов из природных источников, таких как руды, с использованием электролитической ячейки . Напряжение , необходимое для возникновения электролиза, называется потенциалом разложения. Слово «лиз» означает разделение или разрушение, поэтому электролиз будет означать «расщепление с помощью электричества».

Этимология

Слово «электролиз» было введено Майклом Фарадеем в 1834 году. используя греческие слова ἤλεκτρον [ɛ̌ːlektron] «янтарь», который с 17 века ассоциировался с электрическими явлениями , и λύσις [lýsis], означающее «растворение». Тем не менее, электролиз как инструмент для изучения химических реакций и получения чистых элементов предшествует появлению термина и формального описания Фарадеем.

История

В начале девятнадцатого века Уильям Николсон и Энтони Карлайл стремились продолжить эксперименты Вольты . Они прикрепили два провода к обеим сторонам гальванической батареи , а другие концы поместили в трубку, наполненную водой. Они заметили, что когда провода были соединены вместе, на каждой проволоке образовались пузыри. Один тип был водородом, другой — кислородом.

В 1785 году голландский ученый Мартин ван Марум создал электростатический генератор, который он использовал для восстановления олова, цинка и сурьмы из их солей с помощью процесса, позже известного как электролиз. Хотя он, сам того не зная, произвел электролиз, только в 1800 году Уильям Николсон и Энтони Карлайл открыли, как работает электролиз.

В 1791 году Луиджи Гальвани экспериментировал с лягушачьими лапками. Он утверждал, что размещение мышц животных между двумя разнородными металлическими листами приводит к образованию электричества. Отвечая на эти утверждения, Алессандро Вольта провел собственные испытания. Это могло бы пролить свет на Хамфри Дэви идеи об электролизе. В ходе предварительных экспериментов Хамфри Дэви выдвинул гипотезу, что когда два элемента объединяются в соединение, выделяется электрическая энергия. Хамфри Дэви продолжил создавать таблицы разложения на основе своих предварительных экспериментов по электролизу. Таблицы разложения дадут представление об энергии, необходимой для расщепления определенных соединений.

В 1817 году Йохан Август Арфведсон определил, что в некоторых из его образцов есть еще один элемент, литий; однако он не смог изолировать компонент. Лишь в 1821 году Уильям Томас Бранде использовал электролиз, чтобы выделить его. Два года спустя он оптимизировал процесс, используя хлорид лития и хлорид калия с помощью электролиза для получения лития и гидроксида лития.

В последние годы исследований Хамфри Дэви его ассистентом стал Майкл Фарадей. Изучая процесс электролиза под руководством Хамфри Дэви, Майкл Фарадей открыл два закона электролиза .

Во времена Максвелла и Фарадея возникали опасения на электроположительную и электроотрицательную активность.

В ноябре 1875 года Поль Эмиль Лекок де Буабодран открыл галлий с помощью электролиза гидроксида галлия, в результате чего было получено 3,4 мг галлия. В декабре следующего года он представил свое открытие галлия Академии наук в Париже.

26 июня 1886 года Фердинанд Фредерик Анри Муассан наконец почувствовал себя комфортно, проведя электролиз безводного фтористого водорода, чтобы создать газообразный чистый фтор. Прежде чем использовать фтористый водород, Анри Муассан использовал фторидные соли при электролизе. Таким образом, 28 июня 1886 года он провел свой эксперимент перед Академией наук, чтобы продемонстрировать свое открытие нового элемента фтора. При попытке найти элементарный фтор путем электролиза фторидных солей погибли многие химики, в том числе Полен Луйе и Жером Никлес.

В 1886 году Шарль Мартин Холл из Америки и Поль Эру из Франции подали заявки на американские патенты на электролиз алюминия: Эру подал свою заявку в мае, а Холл - в июле. Холл смог получить свой патент, доказав в письмах своему брату и семье доказательства того, что его метод был открыт до того, как был подан французский патент. Это стало известно как процесс Холла-Эру , который принес пользу многим отраслям промышленности, поскольку цена на алюминий тогда упала с четырех долларов до тридцати центов за фунт.

В 1902 году польский инженер и изобретатель Станислав Лащиньский подал заявку и получил польский патент на электролиз меди и цинка .

Хронология

• 1785 — Мартинуса ван Марума электростатический генератор был использован для восстановления олова , цинка и сурьмы из их солей с помощью электролиза.
• 1800 — Уильям Николсон и Энтони Карлайл (а также Иоганн Риттер ) разложили воду на водород и кислород .
• 1808 г. - Калий (1807 г.), натрий (1807 г.), барий , кальций и магний были открыты Хамфри Дэви с помощью электролиза.
• 1821 — Литий открыт английским химиком Уильямом Томасом Бранде , получившим его электролизом оксида лития.
• 1834 – Майкл Фарадей опубликовал два своих закона электролиза , дал им математическое объяснение и ввёл такие термины, как электрод, электролит, анод, катод, анион и катион.
• 1875 – Поль Эмиль Лекок де Буабодран открыл галлий с помощью электролиза.
• 1886 г. – фтор открыл Анри Муассан с помощью электролиза.
• 1886 г. – процесс Холла-Эру разработан для производства алюминия .
• 1890 г. - разработан процесс Кастнера-Келлнера получения гидроксида натрия .
• 1902 г. – Станислав Лащиньский получил медь электролизом.

Обзор

Электролиз — это прохождение постоянного электрического тока через электролит , вызывающее химические реакции на электродах и разложение материалов.

Основными компонентами, необходимыми для электролиза, являются электролит , электроды и внешний источник питания. Перегородка (например, ионообменная мембрана или солевой мостик ) не является обязательной, чтобы препятствовать диффузии продуктов в окрестности противоположного электрода.

Электролит — это химическое вещество , которое содержит свободные ионы и проводит электрический ток (например, ионопроводящий полимер , раствор или ионное жидкое соединение). Если ионы неподвижны, как в большинстве твердых солей , то электролиз произойти не может. Жидкий электролит получают:

• Сольватация или реакция ионного соединения с растворителем (например, водой) с образованием подвижных ионов.
• Ионное соединение, плавящееся при нагревании.

Электроды погружены в воду на расстоянии, таком, что между ними протекает ток через электролит , и подключаются к источнику питания, замыкающему электрическую цепь . Постоянный ток, подаваемый источником питания, запускает реакцию, вызывая притяжение ионов электролита к соответствующему противоположно заряженному электроду.

электроды из металла , графита и полупроводниковых Широко используются материалов. Выбор подходящего электрода зависит от химической активности между электродом и электролитом и стоимости производства. Исторически сложилось так, что когда для электролиза требовались нереактивные аноды, выбирались графит (во времена Фарадея его называли свинцом) или платина. Было обнаружено, что они являются одними из наименее реакционноспособных материалов для анодов. Платина эродирует очень медленно по сравнению с другими материалами, а графит крошится и может выделять углекислый газ в водных растворах, но в остальном не участвует в реакции. Катоды могут быть изготовлены из того же материала или из более реактивного, поскольку износ анода увеличивается из-за окисления на аноде.

Процесс электролиза

Ключевым процессом электролиза является обмен атомами и ионами путем удаления или добавления электронов под действием приложенного потенциала. Желаемые продукты электролиза часто находятся в физическом состоянии, отличном от электролита, и могут быть удалены механическими процессами (например, путем сбора газа над электродом или осаждения продукта из электролита).

Количество продуктов пропорционально силе тока, и когда два или более электролизеров подключены последовательно к одному и тому же источнику питания, продукты, производимые в ячейках, пропорциональны их эквивалентному весу . Они известны как законы электролиза Фарадея .

Каждый электрод притягивает ионы противоположного заряда . Положительно заряженные ионы ( катионы ) движутся к доставляющему электроны (отрицательному) катоду. Отрицательно заряженные ионы ( анионы ) движутся к электроноэкстракционному (положительному) аноду. В этом процессе электроны эффективно вводятся на катод в качестве реагента и удаляются на аноде в качестве продукта . В химии потеря электронов называется окислением , а приобретение электронов — восстановлением .

Когда нейтральные атомы или молекулы, например, на поверхности электрода, приобретают или теряют электроны, они становятся ионами и могут растворяться в электролите и вступать в реакцию с другими ионами.

Когда ионы приобретают или теряют электроны и становятся нейтральными, они образуют соединения, которые отделяются от электролита. Положительные ионы металлов, таких как Cu ²⁺ наносится на катод слоем. Термины для этого - гальваника , электродобыча и электрорафинирование .

Когда ион приобретает или теряет электроны, не становясь нейтральным, его электронный заряд при этом изменяется.

Например, при электролизе рассола образуются газообразные водород и хлор, которые пузырьками выходят из электролита и собираются. Таким образом, первоначальная общая реакция:

2 NaCl + 2 H ₂ O → 2 NaOH + H ₂ + Cl ₂

Реакция на аноде приводит к образованию газообразного хлора из ионов хлора:

2 кл. ⁻ → Cl ₂ + 2 е ⁻

Реакция на катоде приводит к образованию газообразного водорода и ионов гидроксида:

2 Н ₂ О + 2 е ⁻ → Н ₂ + 2 ОН ⁻

Без перегородки между электродами ОН ⁻ ионы, образующиеся на катоде, могут свободно диффундировать по электролиту к аноду. Поскольку электролит становится более основным из-за образования OH ⁻ , меньше Cl ₂ выходит из раствора, поскольку он начинает реагировать с гидроксидом, образуя гипохлорит (ClO ⁻ ) на аноде:

Cl ₂ + 2 NaOH → NaCl + NaClO + H ₂ O

Чем больше возможностей у Cl ₂ взаимодействовать с NaOH в растворе, тем меньше Cl ₂ выходит на поверхность раствора и тем быстрее прогрессирует образование гипохлорита. Это зависит от таких факторов, как температура раствора, время, в течение которого молекула Cl ₂ находится в контакте с раствором, и концентрация NaOH.

Аналогично по мере увеличения концентрации гипохлоритов из них образуются хлораты:

3 NaClO → NaClO ₃ + 2 NaCl

Происходят и другие реакции, такие как самоионизация воды и разложение гипохлорита на катоде, скорость последней зависит от таких факторов, как диффузия и площадь поверхности катода, контактирующая с электролитом.

Потенциал разложения

Потенциал разложения или напряжение разложения относится к минимальному напряжению (разнице потенциалов электрода ) между анодом и катодом электролизера, которое необходимо для проведения электролиза.

Напряжение, при котором электролиз термодинамически предпочтителен, представляет собой разность электродных потенциалов, рассчитанную по уравнению Нернста . Приложение дополнительного напряжения, называемого перенапряжением , может увеличить скорость реакции и часто требуется выше термодинамического значения. Это особенно необходимо для реакций электролиза с участием газов, таких как кислород , водород или хлор .

Окисление и восстановление на электродах

происходит окисление ионов или нейтральных молекул На аноде . Например, на аноде можно окислить ионы железа до ионов железа:

Фе ²⁺
(водный) → Fe ³⁺
(столько же) + е ⁻

Восстановление ионов или нейтральных молекул происходит на катоде . можно Восстановить ионы феррицианида до ионов ферроцианида на катоде :

Fe(CN) ^3-
₆₊ и ⁻ → Fe(CN) ^4-
₆

Нейтральные молекулы также могут реагировать на любом из электродов. Например: п -бензохинон можно восстановить на катоде до гидрохинона:

+ 2 и ⁻ + 2 ч. ⁺ →

В последнем примере Х ⁺ ионы (ионы водорода) также принимают участие в реакции и обеспечиваются кислотой в растворе или самим растворителем (вода, метанол и др.). Реакции электролиза с участием H ⁺ ионы довольно часто встречаются в кислых растворах. В водных щелочных растворах реакции с участием OH ⁻ (гидроксид-ионы) являются обычными.

Иногда сами растворители (обычно вода) окисляются или восстанавливаются на электродах. Возможен даже электролиз с участием газов, например, с использованием газодиффузионного электрода .

энергии

Количество электрической энергии, которое необходимо добавить, равно изменению свободной энергии Гиббса реакции плюс потери в системе. Потери могут (теоретически) быть сколь угодно близкими к нулю, поэтому максимальная термодинамическая эффективность равна изменению энтальпии , разделенному на изменение свободной энергии реакции. В большинстве случаев потребляемая мощность превышает изменение энтальпии реакции, поэтому некоторая энергия выделяется в виде тепла. В некоторых случаях, например, при электролизе пара на водород и кислород при высокой температуре, происходит обратное и происходит поглощение тепловой энергии. Это тепло поглощается из окружающей среды, и теплотворная способность производимого водорода выше, чем потребляемая мощность.

Вариации

Пульсирующий ток приводит к образованию продуктов, отличных от постоянного тока. Например, пульсация увеличивает соотношение озона и кислорода, образующихся на аноде при электролизе водного кислого раствора, такого как разбавленная серная кислота. При электролизе этанола импульсным током вместо кислоты образуется альдегид.

Связанные процессы

Гальванические элементы и батареи используют спонтанные окислительно-восстановительные реакции с высвобождением энергии для генерации электрического потенциала, обеспечивающего полезную энергию. Когда аккумуляторная батарея заряжается, ее окислительно-восстановительная реакция протекает в обратном порядке, и систему можно рассматривать как электролитический элемент .

Промышленное

Процесс Холла – Эру для производства алюминия

• Электрометаллургия алюминия лития , и , натрия , калия , магния , кальция в некоторых случаях меди .
• Производство хлора и гидроксида натрия , называемое хлорщелочным процессом .
• Производство хлората натрия и хлората калия .
• Производство перфторированных органических соединений, таких как трифторуксусная кислота, методом электрофторирования .
• Очистка меди от рафинированной меди .
• Производство топлива, такого как водород , для космических кораблей , атомных подводных лодок и транспортных средств .
• Удаление ржавчины и очистка старых монет и других металлических предметов.

Производственные процессы

В производстве электролиз может использоваться для:

• Гальваника , при которой тонкая пленка металла наносится на материал подложки. Гальваника используется во многих отраслях промышленности как в функциональных, так и в декоративных целях, например, при изготовлении кузовов автомобилей и никелевых монет.
• Электрохимическая обработка (ЭХО), при которой электролитический катод используется в качестве фасонного инструмента для удаления материала путем анодного окисления с заготовки. ECM часто используется как метод удаления заусенцев или гравировки металлических поверхностей, таких как инструменты или ножи, с постоянным знаком или логотипом.

полуреакции при

Электролиз водных растворов некоторых солей с использованием ячейки, содержащей инертные платиновые электроды, приводит к восстановлению катионов (например, осаждение металлов, например, с солями цинка) и окислению анионов (например, выделение брома с бромидами). . Однако у солей некоторых металлов (например, натрия) на катоде выделяется водород, а у солей, содержащих некоторые анионы (например, сульфат SO ²⁻
₄ ) на аноде выделяется кислород. В обоих случаях это происходит из-за восстановления воды с образованием водорода или окисления с образованием кислорода.В принципе, напряжение, необходимое для электролиза раствора соли, можно получить из стандартного электродного потенциала для реакций на аноде и катоде. Стандартный электродный потенциал напрямую связан со свободной энергией Гиббса Δ G для реакций на каждом электроде и относится к электроду, на котором не протекает ток. ​​выдержка из таблицы стандартных электродных потенциалов Ниже представлена .

Полуреакция	Е ° (В)	Ссылка.
Уже + + и − ⇌ Автор (ы)	−2.71
Зн 2+ + 2 и − ⇌ Цинк (с)	−0.7618
2 часа + + 2 и − ⇌ Н 2 (г)	≡ 0
Бр 2 (вод) + 2 е − ⇌ 2 Комн. −	+1.0873
О 2 (г) + 4 Н + + 4 и − ⇌ 2 Н 2 О	+1.23
Cl 2 (г) + 2 е − ⇌ 2 Кл −	+1.36
С 22О 2− 8 + 2 и − ⇌ 2 СО 2− 4	+2.07

С точки зрения электролиза эту таблицу следует интерпретировать следующим образом:

• При движении вниз по таблице Е ° становится более положительной, а виды слева с большей вероятностью восстанавливаются : например, ионы цинка с большей вероятностью будут восстановлены до металлического цинка, чем ионы натрия - до металлического натрия.
• При перемещении вверх по таблице Е ° становится более отрицательным, а виды справа с большей вероятностью окисляются : например, металлический натрий с большей вероятностью окислится до ионов натрия, чем металлический цинк окислится до ионов цинка.

Используя уравнение Нернста, можно рассчитать электродный потенциал для определенной концентрации ионов, температуры и количества участвующих электронов. Для чистой воды ( pH 7):

• электродный потенциал восстановления с получением водорода составляет -0,41 В,
• электродный потенциал окисления с образованием кислорода составляет +0,82 В.

Сопоставимые цифры, рассчитанные аналогичным образом, для 1 М бромида цинка ZnBr ₂ составляют -0,76 В для восстановления до металлического Zn и +1,10 В для окисления с образованием брома.Вывод из этих рисунков состоит в том, что водород должен образовываться на катоде, а кислород на аноде в результате электролиза воды, что противоречит экспериментальному наблюдению, согласно которому осаждается металлический цинк и образуется бром. Объяснение состоит в том, что эти рассчитанные потенциалы указывают только на термодинамически предпочтительную реакцию. На практике необходимо учитывать множество других факторов, таких как кинетика некоторых стадий реакции. Вместе эти факторы означают, что для восстановления и окисления воды требуется более высокий потенциал, чем предполагалось, и это называется перенапряжениями . Экспериментально известно, что перенапряжения зависят от конструкции ячейки и природы электродов.

При электролизе нейтрального (pH 7) раствора хлорида натрия восстановление ионов натрия термодинамически очень сложно, и вода восстанавливается с выделением водорода, оставляя ионы гидроксида в растворе. На аноде наблюдается окисление хлора, а не воды, так как перенапряжение окисления хлорида в хлор меньше , чем перенапряжение окисления воды в кислород . Ионы гидроксида и растворенный газообразный хлор вступают в дальнейшую реакцию с образованием хлорноватистой кислоты . Водные растворы, образующиеся в результате этого процесса, называются электролизованной водой и используются в качестве дезинфицирующего и чистящего средства.

исследований

Электролиз углекислого газа

Основная статья: Электрохимическое восстановление углекислого газа

Электрохимическое восстановление или электрокаталитическая конверсия CO ₂ позволяет производить химические вещества с добавленной стоимостью, такие как метан , этилен , этанол и т. д. Электролиз углекислого газа дает формиат или окись углерода, но иногда и более сложные органические соединения, такие как этилен . Эта технология исследуется как углеродно-нейтральный путь к органическим соединениям.

Электролиз подкисленной воды

Основная статья: Электролиз воды

При электролизе воды образуются водород и кислород в соотношении 2 к 1 соответственно.

2 H ₂ O (ж) → 2 H ₂ (г) + O ₂ (г)   E ° = +1,229 В

Энергетическая эффективность электролиза воды варьируется в широких пределах. Эффективность электролизера является мерой энтальпии, содержащейся в водороде (сгорания с кислородом или какой-либо другой более поздней реакции), по сравнению с потребляемой электрической энергией. Значения теплоты/энтальпии водорода широко опубликованы в научных и технических текстах и ​​составляют 144 МДж/кг (40 кВтч/кг). Обратите внимание, что топливные элементы (не электролизеры) не могут использовать это полное количество тепла/энтальпии, что привело к некоторой путанице при расчете значений эффективности для обоих типов технологий. В ходе реакции часть энергии теряется в виде тепла. В некоторых отчетах указывается эффективность щелочных электролизеров от 50% до 70% (50 кВтч/кг); однако более высокая практическая эффективность достигается при использовании мембранного электролиза с полимерным электролитом и каталитической технологии, например, эффективность 95%.

В 2006 году Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии подсчитала, что 1 кг водорода (примерно эквивалентный 3 кг или 4 литрам нефти в энергетическом выражении) может быть произведен с помощью ветроэлектролиза по цене от 5,55 долларов США в ближайшем будущем до 2,27 долларов США в ближайшем будущем. более длительный срок.

Около 4% газообразного водорода, производимого во всем мире, вырабатывается путем электролиза и обычно используется на месте. Водород используется для производства аммиака для удобрений посредством процесса Габера и преобразования тяжелых нефтяных источников в более легкие фракции посредством гидрокрекинга . Электролиз на месте использовался для улавливания водорода для водородных топливных элементов в водородных транспортных средствах .

Электролиз воды с участием

Основная статья: Производство водорода

В последнее время для снижения энергозатрат в качестве жизнеспособного варианта предложено использование углерода ( уголь ), спиртов (раствор углеводородов) и органических растворов ( глицерин , муравьиная кислота, этиленгликоль и т. д.) с соэлектролизом воды. . Процесс электролиза воды с углеродом/углеводородом (так называемый CAWE) для получения водорода будет выполнять эту операцию в одном электрохимическом реакторе. Для этого энергетического баланса системы может потребоваться только около 40% потребляемой электроэнергии, причем 60% приходится на химическую энергию углерода или углеводородов. В этом процессе в качестве топлива используются твердые частицы угля/углерода или порошок, диспергированные в кислотном/щелочном электролите в виде суспензии, а источник углерода, содержащийся в процессе электролиза, участвует в следующих теоретических общих реакциях:

Углеродно-угольная суспензия (C + 2H ₂ O) → CO ₂ + 2H ₂   E ′ = 0,21 В (обратимое напряжение) / E ′ = 0,46 В (термонейтральное напряжение)

или

Углеродно-угольная суспензия (C + H ₂ O) → CO + H ₂   E ′ = 0,52 В (обратимое напряжение) / E ′ = 0,91 В (термонейтральное напряжение)

Таким образом, этот подход CAWE заключается в том, что фактическое перенапряжение ячейки может быть значительно снижено до уровня ниже 1,0 В по сравнению с 1,5 В для обычного электролиза воды.

Электрокристаллизация

Специализированное применение электролиза включает рост проводящих кристаллов на одном из электродов из окисленных или восстановленных частиц, которые образуются на месте. Этот метод был использован для получения монокристаллов низкоразмерных электрических проводников, таких как соли переноса заряда и соединения с линейной цепью .

Электролиз железной руды

Современный метод производства стали из железной руды очень углеродоемок, отчасти из-за прямого выброса CO ₂ в доменной печи. Исследование производства стали в Германии показало, что при производстве 1 тонны стали выбрасывается 2,1 тонны CO ₂ e, причем 22% из них составляют прямые выбросы из доменной печи. По состоянию на 2022 год на долю производства стали придется 7–9% мировых выбросов. Электролиз железа может устранить прямые выбросы и еще больше сократить выбросы, если электричество будет производиться из экологически чистой энергии.

О мелкомасштабном электролизе железа успешно сообщалось путем растворения его в расплавленных оксидных солях и использования платинового анода. Анионы кислорода образуют газообразный кислород и электроны на аноде. Катионы железа поглощают электроны и образуют металлическое железо на катоде. Этот метод осуществлялся при температуре 1550 °C, что представляет собой серьезную проблему для поддержания реакции. анодная коррозия В частности, при таких температурах вызывает беспокойство .

Кроме того, сообщалось о низкотемпературном восстановлении оксида железа путем его растворения в щелочной воде. Температура намного ниже, чем при традиционном производстве железа, и составляет 114 ° C. Низкие температуры также имеют тенденцию коррелировать с более высоким КПД по току, при этом сообщается, что КПД составляет 95%. Хотя эти методы являются многообещающими, они с трудом могут быть конкурентоспособными по стоимости из-за значительной экономии за счет масштаба, удерживающей цены на доменный чугун на низком уровне.

Электролиз морской воды

В исследовании 2020 года изучались прямой электролиз морской воды, щелочной электролиз, электролиз на протонообменной мембране и электролиз твердых оксидов . Прямой электролиз морской воды следует известным процессам, образуя электролизную ячейку, в которой морская вода действует как электролит, обеспечивая реакцию на аноде . ${\ce {2 Cl- (aq)->{Cl2(g)}+ 2e-}}$и реакция на катоде , ${\ce {2 {H2O(l)}+2e- -> {H2}(g) + 2{OH- }(aq)}}$. Включение магния и кальция ионов в морскую воду делает возможным образование гидроксидов щелочных металлов , которые могут образовывать накипь в электролизере, сокращая срок службы и увеличивая необходимость технического обслуживания. Щелочные электролизеры работают со следующими реакциями на аноде: ${\ce {{2OH^{-}}(aq)->{1/2{O_{2}}(g)}+{{H2O}(l)}+2{e^{-}}}}$и катод, ${\ce {{2{H2O}(l)}+2{e^{-}}->{{H2}(g)}+2{OH^{-}}(aq)}}$и используют растворы с высоким содержанием оснований в качестве электролитов, работающих при температуре 60–90 ° C (140–194 ° F), и нуждаются в дополнительных сепараторах, чтобы гарантировать разделение газовой фазы водорода и кислорода. Электролит легко загрязняется, но щелочной электролизер может работать под давлением, что позволяет снизить энергопотребление. Электроды могут быть изготовлены из недорогих материалов и в конструкции не требуется дорогостоящий катализатор. Электролизеры с протонообменной мембраной работают с реакциями на аноде, ${\ce {{H2O}(l)->{1/2{O_{2}}(g)}+{2{H+}(aq)}+{2e^{-}}}}$ и катод, ${\ce {{2{H+}(aq)}+2{e^{-}}->{H_{2}}(g)}}$, при температуре 60–80 ° C (140–176 ° F), с использованием твердого полимерного электролита и требующими более высоких затрат на обработку, чтобы обеспечить равномерное соприкосновение твердого электролита с электродами. Подобно щелочному электролизору, электролизер с протонообменной мембраной может работать при более высоких давлениях, что снижает затраты энергии, необходимые для последующего сжатия газообразного водорода, но электролизер с протонообменной мембраной также выигрывает от быстрого времени реакции на изменения требований к мощности или требований, а не от требуют технического обслуживания за счет более высокой скорости разложения и большей уязвимости к примесям в воде. Твердооксидные электролизеры запускают реакции ${\ce {{{O^{2}^{-}}(g)}->{1/2{O2}(g)}+2{e^{-}}}}$на аноде и ${\ce {{{H2O}(g)}+2{e^{-}}->{{H_{2}}(g)}+{O^{2}^{-}}(g)}}$ на катоде. Для работы твердооксидных электролизеров требуются высокие температуры (700–1000 ° C (1 292–1 832 ° F)), в результате чего образуется перегретый пар. При отключении они деградируют, что делает технологию производства водорода более негибкой. В выбранной серии сравнений анализа решений по множеству критериев, в которых наивысший приоритет был отдан экономическим эксплуатационным затратам, за которыми в равной степени следовали экологические и социальные критерии, было обнаружено, что электролизер с протонообменной мембраной предлагает наиболее подходящую комбинацию значений (например, инвестиционные затраты, стоимость обслуживания и эксплуатации, устойчивость к загрязнениям, удельная энергия для производства водорода в море, риск воздействия на окружающую среду и т. д.), за которым следует щелочной электролизер, причем щелочной электролизер является наиболее экономически целесообразным, но более опасным в с точки зрения безопасности и экологических проблем из-за необходимости использования основных растворов электролитов, а не твердых полимеров, используемых в протонообменных мембранах. Благодаря методам, применяемым при анализе решений по множеству критериев, к различным факторам применяются необъективные веса, поэтому одновременно выполнялось несколько методов анализа решений, чтобы изучить электролизеры таким образом, чтобы свести к минимуму влияние систематической ошибки на выводы о производительности. .

См. также

• Электролиз щелочной воды
• Процесс Кастнера – Келлнера
• Водородная электростанция комбинированного цикла
• Электролитическая ячейка
• Электрохимическая инженерия
• Закон электролиза Фарадея
• постоянная Фарадея
• Эффективность Фарадея
• Гальваническая коррозия
• Гальванолюминесценция
• Газовый крекер
• Процесс Холла – Эру
• Электролиз высокого давления
• Перенапряжение
• Силовая ячейка Паттерсона
• Термохимический цикл
• Хронология водородных технологий
• ПЭМ-электролиз