Havsvatten Väte

FORSKARE har utvecklat ett system som kan producera grönt väte direkt från havsvatten utan behov av några förbehandlingsprocesser som avsaltning. Teamet bakom utvecklingen, som involverar införandet av ett Lewis-syraskikt på en övergångsmetalloxidkatalysator, säger att metoden visar hög potential för kommersiell tillämpning.

Över 97 % av vattnet på jordens yta är saltvatten i haven, 2 % lagras som färskvatten i inlandsisar, glaciärer och snötäckta bergskedjor, och bara 1 % är tillgängligt för våra dagliga vattenförsörjningsbehov.

 
Saltvatten kan göras till dricksvatten genom en process som kallas avsaltning, en teknik som vissa områden runt om i världen förlitar sig på för att producera färskvatten för mänsklig konsumtion och för hushålls- och industribruk. Men avsaltning är en energikrävande process, och ännu värre drivs den ofta av energikällor som är ohållbara.

Att dela vatten i dess beståndsdelar är också väl förstått. Processen – känd som elektrolys – använder en likström mellan två elektroder nedsänkta i en elektrolyt för att dela vatten till väte och syre. Väte bildas vid katoden, eller negativ elektrod, och syre vid den positiva elektroden, eller anoden.

Eftersom en blandning av gaserna kan explodera, separerar de flesta elektrolysörer anoden och katoden med en tjock, porös plastskiva, och metallkatalysatorer som nickel och järn används för att påskynda reaktionerna.

Att sätta ihop båda dessa processer, nämligen avsaltning av havsvatten, och sedan dela upp det för att skapa väte har länge hyllats som en av de bästa lösningarna för att tillhandahålla rent och prisvärt bränsle för energi, som i sin tur kan driva allt från en stads elektricitet till att göra stål, som producerar gödningsmedel och till och med som bränsle för flygplan – listan över potentiella användningsområden är lång.

En av anledningarna till att vi inte redan använder vätebränsle för att flyga jorden runt är att saltvatten och andra föroreningar korroderar elektroderna, vilket förkortar deras livslängd. Eftersom dessa komponenter vanligtvis är gjorda av sällsynta metaller som platina, kostar det för mycket att fortsätta ersätta dem. Kloridjoner i havsvatten är också ett problem och klorelektrooxidationsreaktioner (ClOR) konkurrerar med syreutvecklingsreaktion (OER) på anoden under elektrolys. Denna reaktion resulterar i frisättning av giftiga och frätande klorarter såsom hypoklorit. Hypoklorit är relativt instabilt, det kan frigöra giftig klorgas när det blandas med ammoniak eller syra och det kan även äta upp rostfritt stål.

För att komma runt detta kunde havsvattnet avsaltas och renas innan det bearbetades, men det är inte heller alltid ekonomiskt lönsamt. Ett annat alternativ är att belägga elektroderna med polyanjoner för att undertrycka korrosion, men även detta kan bli kostsamt.

Få klimatlösningar kommer utan nackdelar. "Grönt" väte, tillverkat genom att använda förnybar energi för att splittra vattenmolekyler, skulle kunna driva tunga fordon och avkarbona industrier som ståltillverkning utan att sprida en doft av koldioxid. Men eftersom vattenklyvningsmaskinerna, eller elektrolysörerna, är utformade för att fungera med rent vatten, kan uppskalning av grönt väte förvärra den globala sötvattenbristen. Nu rapporterar flera forskarlag framsteg när det gäller att producera väte direkt från havsvatten, vilket kan bli en outtömlig källa till grönt väte.

Idag tillverkas nästan allt väte genom att bryta isär metan, förbränna fossila bränslen för att generera den värme och det tryck som behövs. Båda stegen frigör koldioxid. Grönt väte skulle kunna ersätta detta smutsiga väte, men för närvarande kostar det mer än dubbelt så mycket, ungefär 5 dollar per kilogram. Det beror delvis på de höga kostnaderna för elektrolysatorer, som är beroende av katalysatorer gjorda av ädelmetaller. Det amerikanska energidepartementet lanserade nyligen ett decenniumlångt försök att förbättra elektrolysörer och få ner kostnaden för grönt väte till 1 dollar per kilogram.

Om de lyckas och grön väteproduktion skjuter i höjden kan trycket byggas på världens sötvattenförsörjning. Att generera 1 kg väte med hjälp av elektrolys tar cirka 10 kg vatten. Att driva lastbilar och nyckelindustrier på grönt väte kan kräva ungefär 25 miljarder kubikmeter färskvatten per år, vilket motsvarar vattenförbrukningen i ett land med 62 miljoner människor, enligt International Renewable Energy Agency.

Havsvatten är nästan obegränsat, men att klyva det kommer med sina egna problem. Elektrolysatorer är byggda ungefär som batterier, med ett par elektroder omgivna av en vattenhaltig elektrolyt. I en design delar katalysatorer vid katoden upp vattenmolekyler i väte (H+) och hydroxyl (OH-) joner. Överskott av elektroner vid katoden binder ihop par av vätejoner till vätgas (H2), som bubblar ut ur vattnet. OH-jonerna färdas under tiden genom ett membran mellan elektroderna för att nå anoden, där katalysatorer knyter syret till syrgas (O2) som frigörs.

När havsvatten används, omvandlar dock samma elektriska stöt som genererar O2 vid anoden också kloridjonerna i saltvatten till starkt frätande klorgas, som tär på elektroderna och katalysatorerna. Detta gör vanligtvis att elektrolysatorer misslyckas på bara timmar när de normalt kan fungera i flera år.

Väte är en mångsidig kemikalie som används för produktion av många produkter, inklusive gödningsmedel. Vätgas är också en nyckelkomponent i bränslecellstekniken, som utnyttjar den el som produceras av förnybara men intermittenta energikällor som sol och vind. Det mesta av det väte som produceras över hela världen kommer från en process där metan utsätts för värme och ånga för att ge väte.

Väte kan också produceras från elektrolys av vatten, som använder elektricitet för att dela upp vattenmolekyler till väte och syre som drivs av förnybara källor som sol och vind. Men det finns en hake. Elektrolys kräver mycket rent vatten som har avjoniserats, vilket innebär att alla föroreningar, mineraler och elektroniskt laddade partiklar först måste avlägsnas. Konventionella vattenreningsprocesser kräver dyr utrustning och kan resultera i energiförlust.

Forskare vid Johns Hopkins Universitys Department of Environmental Health and Engineering, i samarbete med Penn State University, har hittat ett sätt att använda havsvatten som en direkt källa till väte, utan behov av preliminär avsaltning. Deras resultat visas i Environmental Science & Technology.

"Vi fann att vi kan använda tunnfilmskompositmembran, som används för att rena saltvatten, i vattenelektrolysatorer, dela vattnet i vätgas och syre, samtidigt som vi undviker att producera skadlig klorgas, vilket händer med andra membrantyper."
I sin studie testade Rossi och kollegor tunnfilmskompositmembran direkt i elektrolysatorn - en enhet som använder elektricitet för att dela upp vatten till väte och syre - som i ett enda steg åstadkommer både vattenrening och väteproduktion. De fann att materialets porösa mikrostruktur tillät endast små protoner och hydroxidjoner att migrera över membranet och avvisa föroreningar och andra joner som kan producera oönskade reaktioner. Forskarna säger att detta nya tillvägagångssätt kan ersätta konventionella system, där dyra jonbytarmembran används i kombination med ultrarent vatten.

"Billiga vattenavsaltningsmembran kan vara ett alternativ till dyrare polymerbaserade membran och kan användas för väteproduktion från lågvärdiga vattenkällor som havsvatten", säger Rossi. "Resultatet är en effektiv väteproduktionsprocess från förnybara energikällor som eliminerar behovet av vattenrening."

Han noterade att havsvatten är utmanande att använda i elektrolysörer på grund av dess höga salthalt. Det är dock rikligt och tillgängligt på platser som kustområden, där förnybar el som sol och vind kan genereras, men där det finns låg tillgång på färskvatten. På sådana platser kan andra lågvärdiga vattenkällor, såsom avloppsvatten, potentiellt användas istället för havsvatten i denna process.

Det amerikanska National Science Foundation-finansierade teamet integrerade vattenreningsteknik i en ny proof-of-concept-design för en havsvattenelektrolysör, som använder en elektrisk ström för att dela isär väte och syre i vattenmolekyler.

Den här nya metoden för "sönderdelning av havsvatten" kan göra det lättare att förvandla vind- och solenergi till ett lagringsbart och bärbart bränsle, enligt Bruce Logan, en miljöingenjör.

"Väte är ett bra bränsle, men du måste klara det," sa Logan. "Det enda hållbara sättet att göra det är att använda förnybar energi och producera den från vatten. Du måste också använda vatten som folk inte vill använda till andra saker, och det skulle vara havsvatten. Så, den heliga graalen att producera väte skulle vara att kombinera havsvattnet och vind- och solenergin som finns i kust- och havsmiljöer."

Trots överflöd av havsvatten används det inte vanligtvis för vattenklyvning. Om inte vattnet avsaltas innan det går in i elektrolysatorn, ett dyrt extra steg, förvandlas kloridjonerna i havsvattnet till giftig klorgas, som bryter ned utrustningen och sipprar ut i miljön.

För att förhindra detta satte forskarna in ett tunt, semipermeabelt membran, ursprungligen utvecklat för att rena vatten i omvänd osmosbehandlingsprocessen. Det omvända osmosmembranet ersatte jonbytarmembranet som vanligtvis används i elektrolysatorer.
"Tanken bakom omvänd osmos är att du sätter riktigt högt tryck på vattnet och trycker det genom membranet och håller kloridjonerna bakom," sa Logan.

Genom en serie experiment publicerade i Energy & Environmental Science testade forskarna två kommersiellt tillgängliga omvänd osmosmembran och två katjonbytesmembran, en typ av jonbytesmembran som tillåter förflyttning av alla positivt laddade joner i systemet.

Ren energi är en högsta prioritet för länder över hela världen. Medan konventionell kraft är beroende av fossila bränslen som kol, naturgas och olja, kommer ren energi i olika former som sol, vind, geotermisk energi, vattenkraft och biomassa.

Vätgas är också ett ledande alternativ för energilagring av förnybara energikällor och kan bidra till att minska de höga nivåerna av koldioxidutsläpp.
Aktuell forskning tyder på att saltvattenelektrolys - processen att dela vatten till syre och väte - är en hållbar lösning på de vanliga utmaningarna med sötvattenelektrolys. Havsvattenelektrolys skulle kunna producera hållbart väte utan att förvärra den globala sötvattenbristen.

Enligt United States Department of Energy Alternative Fuel Data Center är rent väte ett rikligt grundämne på jorden som visar stort lovande när det gäller att stödja övergången till ren, hållbar och förnybar energi.

Efter att väte har producerats kan det generera elektricitet i en bränslecell och avger endast vattenånga och varm luft. Eftersom väte inte släpper ut några växthusgaser, kväveoxider, kolväten eller andra partiklar påverkar det inte miljön negativt.
Vätgas har andra fördelar som kommer att bidra till att skapa en ren energiekonomi. Det är en optimal energilösning i typiskt utmanande områden att koldioxidavskilja. Det ökar tillförlitligheten och motståndskraften hos det moderna elnätet. Det kan också förbättra folkhälsan och miljöns tillstånd.

Dessutom kan det öka antalet sysselsättningsmöjligheter och energitrygghet i globala industrier. Det kan hjälpa transportbranschen att bli mer hållbar och stödja övergången till elfordon (EV). Och det kan bidra till ökade intäkter och stärker världsekonomin.

En utmaning som driver upp kostnaderna för att producera grönt väte är att elektrolysörer kräver ultrarent vatten. Detta gör traditionell saltvattenelektrolys svår eftersom många vattenkällor är fyllda med föroreningar.
Även om EPA har strikta krav på vatten på grund av närvaron av bly, klor och bakterier, betyder det inte nödvändigtvis att allt vatten är fritt från föroreningar.

Havsvattenelektrolys
Forskning om havsvattenelektrolys uppstod i början av 1800-talet. Även om forskare gjorde framsteg inom väteproduktion, fick den aldrig dragkraft eller blev en livskraftig energilösning. På 1900-talet utvanns väte mestadels ur naturgas och användes för att driva bilar, bussar, luftskenor och raketer.

Även om det var möjligt att använda detta väte, var dess produktion energikrävande och bidrog till koldioxidutsläpp, en av de främsta orsakerna till klimatförändringarna. Dessutom filtrerar vissa städer kommunalt fast avfall med vätebränslecellsteknik, som producerar väte och förhindrar avfallshärledd förorening i lokala vattenförsörjningar.

Olika forskare och forskare utvecklar avancerad teknik som använder havsvattenelektrolys för att undvika dessa utmaningar. Om dessa tekniker fungerar korrekt kommer de att producera hållbart väte utan att använda sötvattenresurser eller bidra till koldioxidutsläpp.

Produkterna säljs i alla regioner i Kina och exporteras till länder runt om i världen. De har sålts i mer än 20 länder och regioner inklusive USA, Tyskland, Marocko, Kenya, Saudiarabien, Vietnam, Algeriet, Indien, Tanzania och Taiwan. Framgångsrikt tillhandahållit välkända företag som China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group och andra välkända företag. Det finns många gröna vätevätehydreringsstationer som Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, etc. tillhandahåller gröna och väteproducerande projekt.