Реакция выделения водорода
Реакция выделения водорода (HER) представляет собой химическую реакцию, в результате которой образуется H 2 . [ 1 ] Превращение протонов в H 2 требует восстанавливающих эквивалентов и обычно катализатора. В природе HER катализируется ферментами гидрогеназами . Коммерческие электролизеры обычно используют платину на носителе в качестве катализатора на аноде электролизера. HER полезен для производства газообразного водорода, обеспечивая чистое топливо. [ 2 ] HER, однако, также может быть нежелательной побочной реакцией, которая конкурирует с другими видами восстановления, такими как фиксация азота или электрохимическое восстановление углекислого газа. [ 3 ] или хромирование .
ЕЕ в электролизе
[ редактировать ]HER является ключевой реакцией, которая происходит при электролизе воды для производства водорода для промышленных энергетических применений. [ 4 ] а также небольшие лабораторные исследования. Из-за обилия воды на Земле производство водорода представляет собой потенциально масштабируемый процесс производства топлива. Альтернатива паровой конверсии метана. [ 5 ] для производства водорода, который имеет значительные выбросы парниковых газов , и поэтому ученые стремятся улучшить и расширить процессы электролиза, которые имеют меньше выбросов.
Механизм электролиза
[ редактировать ]В кислых условиях реакция выделения водорода происходит по формуле: [ 6 ]
В нейтральных или щелочных условиях реакция протекает по формуле: [ 6 ]
Оба этих механизма можно увидеть в промышленной практике на анодной стороне электролизера, где происходит выделение водорода. В кислых условиях его называют электролизом протонообменной мембраны или PEM , а в щелочных условиях его называют просто щелочным электролизом . Исторически сложилось так, что щелочной электролиз был доминирующим методом из этих двух, хотя в последнее время популярность PEM начала расти из-за более высокой плотности тока, которая может быть достигнута при электролизе PEM. [ 7 ]
Катализаторы для НЕЕ
[ редактировать ]Процесс HER осуществляется с помощью электричества и требует больших затрат энергии без высокоэффективного катализатора , который представляет собой химическое вещество, которое снижает энергию активации реакции, не расходуясь при этом. В щелочных электролизерах на аноде обычно используются катализаторы HER на основе никеля и железа. [ 8 ] Щелочность электролита в этих процессах позволяет использовать менее дорогие катализаторы. [ 4 ] В электролизерах PEM стандартным катализатором HER является платина на углероде или Pt/C. [ 8 ] используется на аноде. Работоспособность катализатора можно охарактеризовать уровнем адсорбции водорода в связывающих центрах поверхности металла, а также перенапряжением реакции при увеличении плотности тока. [ 4 ]
Проблемы
[ редактировать ]Высокая стоимость и энергозатраты при электролизе воды создают проблему для крупномасштабного внедрения водородной энергетики. Хотя щелочной электролиз широко используется, его ограниченная плотность тока требует больших затрат электроэнергии, что создает как финансовые, так и экологические проблемы из-за высокого содержания углерода в электроэнергии во многих странах, включая Соединенные Штаты. [ 9 ] Электрокатализаторы, используемые для электролиза электролизеров PEM, в настоящее время составляют около 5% от общей стоимости процесса, однако по мере масштабирования этого процесса прогнозируется, что стоимость катализаторов вырастет из-за их нехватки и станет огромным фактором стоимости производства. водород. [ 10 ] Таким образом, недорогие, высокоэффективные и масштабируемые альтернативные материалы для катализаторов HER в электролизерах PEM представляют собой предмет исследовательского интереса для ученых.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Чжэн, Яо; Цзяо, Ян; Васильев, Энтони; Цяо, Ши-Чжан (2018). «Реакция выделения водорода в щелочном растворе: от теории, монокристаллических моделей к практическим электрокатализаторам» . Angewandte Chemie, международное издание . 57 (26): 7568–7579. дои : 10.1002/anie.201710556 . ПМИД 29194903 .
- ^ Грей, Гарри Б. (2009). «Обеспечение планеты солнечным топливом» . Природная химия . 1 (1): 7. Бибкод : 2009НатЧ...1....7Г . дои : 10.1038/nchem.141 . ПМИД 21378780 .
- ^ Суй, Имин; Цзи, Сюлей (2021). «Антикаталитические стратегии подавления электролиза воды в водных батареях». Химические обзоры . 121 (11): 6654–6695. doi : 10.1021/acs.chemrev.1c00191 . ПМИД 33900728 . S2CID 233409171 .
- ^ Jump up to: а б с Ван, Шан; Лу, Аолин; Чжун, Чуан-Цзянь (декабрь 2021 г.). «Производство водорода электролизом воды: роль катализаторов» . Нано-конвергенция . 8 (1): 4. Бибкод : 2021NanoC...8....4W . дои : 10.1186/s40580-021-00254-x . ISSN 2196-5404 . ПМЦ 7878665 . ПМИД 33575919 .
- ^ Вс, Пинпин; Янг, Бен; Эльговайни, Амгад; Лу, Цзыфэн; Ван, Майкл; Морелли, Бен; Хокинс, Трой (18 июня 2019 г.). «Критерии загрязнителей воздуха и выбросов парниковых газов при производстве водорода на предприятиях парового риформинга метана в США» . Экологические науки и технологии . 53 (12): 7103–7113. Бибкод : 2019EnST...53.7103S . doi : 10.1021/acs.est.8b06197 . ISSN 0013-936X . ОСТИ 1546962 . ПМИД 31039312 . S2CID 141483589 .
- ^ Jump up to: а б Ши, Артур Дж.; Монтейро, Мариана, Колорадо; Даттила, Федерико; Павези, Давиде; Филипс, Мэтью; да Силва, Алиссон Х.М.; Вос, Рафаэль Э.; Оджа, Касинатх; Пак, Сунгхак; ван дер Хейден, Онно; Маркандалли, Джулия; Гоял, Аканша; Вильяльба, Матиас; Чен, Сяотин; Гунасурия, GT Касун Калхара (27 октября 2022 г.). «Электролиз воды» . Учебники по методам Nature Reviews . 2 (1): 1–19. дои : 10.1038/s43586-022-00164-0 . hdl : 1887/3512135 . ISSN 2662-8449 . S2CID 253155456 .
- ^ Кармо, Марсело; Фриц, Дэвид Л.; Мергель, Юрген; Столтен, Детлеф (22 апреля 2013 г.). «Всесторонний обзор электролиза воды PEM» . Международный журнал водородной энергетики . 38 (12): 4901–4934. doi : 10.1016/j.ijhydene.2013.01.151 . ISSN 0360-3199 .
- ^ Jump up to: а б Го, Юйцзин; Ли, Генди; Чжоу, Цзюньбо; Лю, Юн (01 декабря 2019 г.). «Сравнение производства водорода электролизом щелочной воды и производства водорода электролизом PEM» . Серия конференций IOP: Науки о Земле и окружающей среде . 371 (4): 042022. Бибкод : 2019E&ES..371d2022G . дои : 10.1088/1755-1315/371/4/042022 . ISSN 1755-1307 .
- ^ «Часто задаваемые вопросы (FAQ) — Управление энергетической информации США (EIA)» . www.eia.gov . Проверено 21 ноября 2023 г.
- ^ Лю, Лифэн (01 декабря 2021 г.). «Нанокатализаторы, не содержащие металлов платиновой группы, для электролиза воды с протонообменной мембраной» . Текущее мнение в области химической инженерии . 34 : 100743. дои : 10.1016/j.coche.2021.100743 . ISSN 2211-3398 .