Расщепление воды
Расщепление воды – это химическая реакция , в ходе которой вода расщепляется на кислород и водород : [1]
Эффективное и экономичное разделение воды могло бы стать технологическим прорывом, который мог бы укрепить водородную экономику . Вариант расщепления воды происходит при фотосинтезе , но водород не образуется. Обратная реакция расщепления воды лежит в основе водородного топливного элемента . Расщепление воды с помощью солнечной радиации не получило коммерческого применения.
Электролиз
[ редактировать ]
Электролиз воды – это разложение воды (H 2 O) на кислород (O 2 ) и водород (H 2 ): [2]
Производство водорода из воды энергоемко. Обычно потребляемая электроэнергия более ценна, чем производимый водород, поэтому этот метод не получил широкого распространения. В отличие от низкотемпературного электролиза, высокотемпературный электролиз (ВТЭ) воды преобразует большую часть исходной тепловой энергии в химическую энергию (водород), потенциально увеличивая эффективность примерно вдвое , примерно до 50%. [ нужна ссылка ] Поскольку часть энергии в HTE поставляется в виде тепла, меньшая часть энергии должна быть преобразована дважды (из тепла в электричество, а затем в химическую форму), и поэтому процесс становится более эффективным. [ нужна ссылка ]
Высокотемпературный электролиз (также HTE или паровой электролиз ) — метод получения водорода из воды с кислородом в качестве побочного продукта.
Расщепление воды при фотосинтезе
[ редактировать ]Вариант расщепления воды происходит при фотосинтезе , но электроны перебрасываются не к протонам, а к цепи переноса электронов в фотосистеме II . Электроны используются для восстановления углекислого газа, который в конечном итоге включается в сахара.
Фотовозбуждение фотосистемы I инициирует перенос электронов к ряду акцепторов электронов, что в конечном итоге восстанавливает НАДФ. + к НАДФН. Окисленная фотосистема I захватывает электроны от фотосистемы II посредством ряда стадий с участием пластохинона , цитохромов и пластоцианина . Окисленная фотосистема II окисляет кислородвыделяющий комплекс (ОКВ), который превращает воду в О 2 и протоны. [3] [4] Поскольку активный центр OEC содержит марганец , многие исследования были направлены на синтетические соединения Mn в качестве катализаторов окисления воды. [5]
При биологическом производстве водорода электроны, образующиеся в фотосистеме, направляются не к аппарату химического синтеза, а к гидрогеназам , в результате чего образуется H 2 . Этот биоводород производится в биореакторе . [6]
Фотоэлектрохимическое расщепление воды
[ редактировать ]Использование электроэнергии, производимой фотоэлектрическими системами, потенциально предлагает самый чистый способ производства водорода, помимо атомной, ветровой, геотермальной и гидроэлектрической энергии. Опять же, вода разлагается на водород и кислород посредством электролиза, но электрическая энергия получается в процессе фотоэлектрохимической ячейки (ФЭХ). Систему также называют искусственным фотосинтезом . [7] [8] [9] [10]
Катализ и мембраны протонного реле часто находятся в центре внимания при разработке. [11]
Фотокаталитическое расщепление воды
[ редактировать ]Преобразование солнечной энергии в водород посредством процесса расщепления воды может быть более эффективным, если этому будут способствовать фотокатализаторы, суспендированные в воде, а не фотоэлектрическая или электролитическая система, так что реакция происходит в один этап. [12] [13]
Радиолиз
[ редактировать ]Энергичное ядерное излучение может разорвать химические связи молекулы воды. На в золотом руднике Мпоненг Южной Африке исследователи обнаружили в естественной зоне с высоким уровнем радиации сообщество, в котором доминирует новый , питающийся Desulfotomaculum преимущественно радиоактивно произведенным H2 . филотип [14]
Термическое разложение воды
[ редактировать ]При термолизе молекулы воды расщепляются на водород и кислород . Например, при 2200 °C (2470 K; 3990 °F) около трех процентов всей H 2 O диссоциируется на различные комбинации атомов водорода и кислорода, в основном на H, H 2 , O, O 2 и OH. Другие продукты реакции, такие как H 2 O 2 или HO 2, остаются второстепенными. При очень высокой температуре 3000 ° C (3270 K; 5430 ° F) разлагается более половины молекул воды. При температуре окружающей среды только одна молекула из 100 триллионов диссоциирует под действием тепла. [15] Требования к высоким температурам и ограничения по материалам ограничили применение метода термического разложения.
Другие исследования включают термолиз дефектных углеродных подложек, что делает возможным производство водорода при температурах чуть ниже 1000 ° C (1270 K; 1830 ° F). [16]
Одним из побочных преимуществ ядерного реактора, который производит и электричество , и водород, является то, что он может переключать производство между ними. Например, атомная электростанция может производить электроэнергию днем и водород ночью, согласовывая профиль выработки электроэнергии с ежедневными изменениями спроса. Если водород можно будет производить экономично, эта схема будет выгодно конкурировать с существующими схемами хранения энергии в сети . была достаточной По состоянию на 2005 год потребность в водороде в Соединенных Штатах , чтобы такие электростанции могли обеспечить всю ежедневную пиковую выработку. [17]
Гибридный термоэлектрический медно-хлорный цикл представляет собой систему когенерации, использующую отходящее тепло ядерных реакторов, в частности CANDU сверхкритического водного реактора . [18]
Солнечно-тепловая
[ редактировать ]Концентрация солнечной энергии позволяет достичь высоких температур, необходимых для расщепления воды. Hydrosol-2 — это пилотная установка мощностью 100 киловатт на Plataforma Solar de Almería в Испании , которая использует солнечный свет для получения температуры от 800 до 1200 °C (от 1070 до 1470 K; от 1470 до 2190 °F) для расщепления воды. Hydrosol II находится в эксплуатации с 2008 года. Конструкция пилотной установки мощностью 100 киловатт основана на модульной концепции. В результате возможно, что эту технологию можно будет легко масштабировать до мегаваттного диапазона за счет увеличения количества доступных реакторных блоков и подключения станции к гелиостатным полям (полям зеркал, отслеживающих солнце) подходящего размера. [19]
Материальные ограничения из-за требуемых высоких температур уменьшаются за счет конструкции мембранного реактора с одновременной экстракцией водорода и кислорода, в котором используется определенный температурный градиент и быстрая диффузия водорода. Благодаря концентрированному солнечному свету в качестве источника тепла и только воде в реакционной камере получаемые газы очень чистые, а единственным возможным примесем является вода. «Солнечный водный крекер» с концентратором около 100 м. 2 может производить почти один килограмм водорода за солнечный час. [20]
Цикл сера-йод (цикл S-I) представляет собой серию термохимических процессов, используемых для производства водорода . Цикл S–I состоит из трех химических реакций , конечным реагентом которых является вода, а конечными продуктами — водород и кислород . Все остальные химикаты перерабатываются. Процесс S – I требует эффективного источника тепла.
более 352 термохимических Описано циклов расщепления воды термолизом . [21] Эти циклы обещают производить водород и кислород из воды и тепла без использования электричества. [22] Поскольку вся входная энергия для таких процессов — это тепло, они могут быть более эффективными, чем высокотемпературный электролиз. Это связано с тем, что эффективность производства электроэнергии по своей сути ограничена. Термохимическое производство водорода с использованием химической энергии угля или природного газа обычно не рассматривается, поскольку прямой химический путь более эффективен.
Суммарной реакцией всех термохимических процессов является реакция разложения воды: [22]
![{\displaystyle {\ce {2H2O <=>[{\ce {Heat}}] 2H2{}+ O2}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f87596dad9be266529ce624d24d420a7c5529226)
| Термохимический цикл | ЛВС Эффективность | Температура (°C/F) |
|---|---|---|
| Цикл оксида церия(IV)–оксида церия(III) (CeO 2 /Ce 2 O 3 ) | ? % | 2000 ° C (3630 ° F) |
| Гибридный цикл серы (HyS) | 43% | 900 ° С (1650 ° F) |
| Цикл серы и йода (цикл S – I) | 38% | 900 ° С (1650 ° F) |
| Цикл сульфата кадмия | 46% | 1000 ° С (1830 ° F) |
| Цикл сульфата бария | 39% | 1000 ° С (1830 ° F) |
| Цикл сульфата марганца | 35% | 1100 ° С (2010 ° F) |
| Цинк-оксидный цикл (Zn/ZnO) | 44% | 1900 ° С (3450 ° F) |
| Гибридный кадмиевый цикл | 42% | 1600 ° С (2910 ° F) |
| Цикл карбоната кадмия | 43% | 1600 ° С (2910 ° F) |
| Цикл оксида железа (Fe 3 O 4 /FeO) | 42% | 2200 ° C (3990 ° F) |
| Натриево-марганцевый цикл | 49% | 1560 ° С (2840 ° F) |
| Никель-марганцевый ферритный цикл | 43% | 1800 ° C (3270 ° F) |
| Цинк-марганец-ферритный цикл | 43% | 1800 ° C (3270 ° F) |
| Медно-хлоровый цикл (Cu–Cl) | 41% | 550 ° С (1022 ° F) |
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кудо, Акихико; Мисэки, Юго (2009). «Гетерогенные фотокаталитические материалы для расщепления воды». хим. Соц. Преподобный . 38 (1): 253–278. дои : 10.1039/b800489g . ПМИД 19088977 .
- ^ Кумар, Мохит; Мина, Бхагатрам; Субраманьям, Пальям; Сурьякала, Дуввури; Субрахманьям, Чаллапалли (11 ноября 2022 г.). «Последние тенденции фотоэлектрохимического расщепления воды: роль сокатализаторов» . Материалы НПГ Азия . 14 (1): 1–21. дои : 10.1038/s41427-022-00436-x . ISSN 1884-4057 .
- ^ Яно Дж., Керн Дж., Зауэр К., Латимер М.Дж., Пушкарь Ю., Бесядка Дж. и др. (ноябрь 2006 г.). «Где вода окисляется до дикислорода: структура фотосинтетического кластера Mn4Ca» . Наука . 314 (5800): 821–5. Бибкод : 2006Sci...314..821Y . дои : 10.1126/science.1128186 . ПМЦ 3963817 . ПМИД 17082458 .
- ^ Барбер Дж. (март 2008 г.). «Кристаллическая структура кислородвыделяющего комплекса фотосистемы II». Неорганическая химия . 47 (6): 1700–10. дои : 10.1021/ic701835r . ПМИД 18330964 .
- ^ Университет Монаша (17 августа 2008 г.). «Команда Монаша учится у природы расщеплять воду» . ЭврекАлерт .
- ^ Мелис Т. (2008). «II.F.2 Максимизация эффективности использования света и производства водорода в культурах микроводорослей» (PDF) . Водородная программа Министерства энергетики США — Годовой отчет о ходе работ . Министерство энергетики США . стр. 187–190.
- ^ Кляйнер К. (31 июля 2008 г.). «Электрод освещает путь к искусственному фотосинтезу» . Новый учёный .
- ^ Буллис К. (31 июля 2008 г.). «Прорыв в области солнечной энергии. Исследователи нашли дешевый и простой способ хранения энергии, вырабатываемой солнечной энергией» . Обзор технологий Массачусетского технологического института .
- ^ http://swegene.com/pechouse-a-propose-cell-solar-гидроген.html [ мертвая ссылка ]
- ^ дель Валье Ф., Исикава А., Домен К., Виллория Де Ла Мано Х.А., Санчес-Санчес М.К., Гонсалес И.Д. и др. (2009). «Влияние концентрации Zn на активность твердых растворов Cd 1–x Zn x S при расщеплении воды в видимом свете». Катализ сегодня . 143 (1–2): 51–59. дои : 10.1016/j.cattod.2008.09.024 .
- ^ Чу С., Ли В., Хаманн Т., Ши И., Ван Д., Ми З. (2017). «Дорожная карта по расщеплению солнечной воды: текущее состояние и перспективы на будущее». Нано-фьючерсы . 1 (2): 022001. Бибкод : 2017NanoF...1b2001C . дои : 10.1088/2399-1984/aa88a1 . S2CID 3903962 .
- ^ Наварро Йерга РМ, Альварес Гальван МК, дель Валье Ф, Виллория де ла Мано ХА, Фиерро ХЛ (2009). «Расщепление воды на полупроводниковых катализаторах под воздействием видимого света». ChemSusChem . 2 (6): 471–485. дои : 10.1002/cssc.200900018 . ПМИД 19536754 .
- ^ Наварро Р.М., дель Валье Ф, Виллория Де Ла Мано Х.А., Альварес-Гальван МК, Фиерро Х.Л. (2009). де Ласа Х.И., Росалес Б.С. (ред.). Фотокаталитическое расщепление воды в видимом свете: концепция и требования к материалам . Достижения в области химической инженерии. Том. 36. С. 111–143. дои : 10.1016/S0065-2377(09)00404-9 . ISBN 9780123747631 .
- ^ Лин Л.Х., Ван П.Л., Рамбл Д., Липпманн-Пипке Дж., Бойс Э., Пратт Л.М. и др. (2006). «Долгосрочная устойчивость высокоэнергетического корового биома с низким разнообразием» . Наука . 314 (5798): 479–82. Бибкод : 2006Sci...314..479L . дои : 10.1126/science.1127376 . ПМИД 17053150 . S2CID 22420345 .
- ^ Фанк Дж.Э. (2001). «Термохимическое производство водорода: прошлое и настоящее». Международный журнал водородной энергетики . 26 (3): 185–190. дои : 10.1016/S0360-3199(00)00062-8 .
- ^ Костов М.К., Сантисо Э.Э., Джордж А.М., Габбинс К.Е., Нарделли М.Б. (2005). «Диссоциация воды на дефектных углеродных подложках». Письма о физических отзывах . 95 (13): 136105. Бибкод : 2005PhRvL..95m6105K . doi : 10.1103/PhysRevLett.95.136105 . ПМИД 16197155 .
- ^ Йилдиз Б., Петри М.К., Конзельманн Г., Форсберг С. (2005). «Конфигурация и технологические последствия потенциальных применений ядерной водородной системы» (PDF) . Аргоннская национальная лаборатория . Чикагский университет. Архивировано из оригинала (PDF) 27 сентября 2007 г. Проверено 3 марта 2010 г.
- ^ Натерер Г.Ф., Суппия С., Льюис М., Габриэль К., Динсер И., Розен М.А. и др. (2009). «Последние достижения Канады в области ядерного производства водорода и термохимического цикла Cu-Cl». Международный журнал водородной энергетики . 34 (7): 2901–2917. doi : 10.1016/j.ijhydene.2009.01.090 .
- ^ Бюркле Д., Роб М. (2008). «Ученые DLR добились производства солнечного водорода на пилотной установке мощностью 100 киловатт» (PDF) . DLR — Немецкий аэрокосмический центр . Архивировано из оригинала 4 июня 2011 года.
- ^ «Н2 Энергетические Системы» . Архивировано из оригинала 4 марта 2012 года.
- ^ Веймер А (2006). «Развитие термохимического производства водорода из воды с помощью солнечной энергии» (PDF) . Водородная программа Министерства энергетики США .
- ^ Перейти обратно: а б Веймер А (2005). «Развитие термохимического производства водорода из воды с помощью солнечной энергии» (PDF) . Водородная программа Министерства энергетики США .