海水制氫技術發展現狀及難點


發布時間:

2022-06-02

水是一種充足的自然資源,其約占地球表面的71%。其中,海水占地球全部水量的96.5%,與淡水不同,其成分非常復雜,涉及的化學物質及元素有92種。

  水是一種充足的自然資源,其約占地球表面的71%。其中,海水占地球全部水量的96.5%,與淡水不同,其成分非常復雜,涉及的化學物質及元素有92種。

  海水中所含有的大量離子、微生物和顆粒等雜質,會導致制取氫氣時產生副反應競爭、催化劑失活、隔膜堵塞等問題。為此,以海水為原料制氫形成了海水直接制氫和海水間接制氫兩種不同的技術路線。

  •海水直接制氫的路線主要通過電解水制氫或光解水制氫方式制取,全球主要研究機構有中國科學院、法國國家科學研究中心、日本東北工業大學、北京化工大學、印度科學工業研究理事會、美國休斯敦大學等;•海水間接制氫則是將海水先淡化形成高純度淡水再制氫,即海水淡化技術與電解、光解、熱解等水解制氫技術的結合。

  過去的幾十年里,海水電解的研究取得了顯著的進展(圖1),發表了700多篇論文,340多項專利,得到數百萬美元的研究資金。

  

圖1:(a) 每年檢索“海水分解”題目時,摘錄的出版物數目;(b)在Patsnap數據庫中搜索標題、摘要或權利要求中“海水”和“電解”等主題時,每年在Patsnap數據庫中發現的專利申請數量。

 

  圖1:(a) 每年檢索“海水分解”題目時,摘錄的出版物數目;(b)在Patsnap數據庫中搜索標題、摘要或權利要求中“海水”和“電解”等主題時,每年在Patsnap數據庫中發現的專利申請數量。

  電解水技術商業上存在的兩種電解技術是堿性電解和質子交換膜(PEM)系統。堿性電解是一種成熟的商業技術,但在上世紀70年代天然氣和SMR用于氫氣生產時,這些電解槽幾乎全部退役。

  堿性電解槽的特點是避免了珍貴的催化劑,資本成本更低。而堿性電解系統在高效率(~55-70% LHV)、低電流密度(<0.45 A/cm²)和低操作壓力(<30 bar)會對系統和制氫成本產生副作用。

  此外,堿性電解槽的動態運行(頻繁啟動和變化的電源輸入)可能對效率和氣體純度產生負面影響。

  PEM電解是由Grubb在50年代早期首創的,通用電氣公司在60年代領導開發,以克服堿性電解的缺點。PEM系統以純水作為電解液,避免了堿性電解液中必需的腐蝕性氫氧化鉀電解液的回收和循環。

  到目前,由于PEM系統的緊湊設計,高系統效率,快速響應,動態操作,低溫和在高壓下產生超純氫的能力,PEM在過去幾年中電解槽堆成本大幅度降低,預計到2030年將成為可持續制氫的主導技術。

  海水電解既可以通過氯氧化法生產氯,也可以通過水氧化產生氧。盡管氯是一種有價值的化學品,但不斷增長的氫市場生產的數量將遠遠超過全球對Cl?的需求。因此,研究選擇性析氧的陽極催化劑是目前的主要挑戰。

  此外,海水中存在碳酸鹽和硼酸鹽離子,但它們的平均濃度太低,無法維持高電流密度。再者,由于海水本質上是一種非緩沖電解質,在電解過程中會導致電極表面附近的pH值發生變化(高達5-9個pH單位),導致鹽沉淀、催化劑和電極降解其他離子、細菌、微生物和小顆粒的可能性,這些限制了催化劑和膜的長期穩定性。

  因此,在達到工業級的電流密度的前提下,大多數報告使用了海水與硼酸鹽緩沖液或KOH等添加劑。

  盡管在直接電解海水這項技術上投入了大量資源和努力,但直接海水分離技術仍處于起步階段,距離商業化還很遙遠。

  海水直接電解制氫技術

  海水電解反應包括陰極析氫反應(Hydrogen Evolution Reaction,HER)和陽極析氧反應(Oxygen Evolution Reaction,OER)兩個半反應(圖2:電解海水制氫)。

  

海水制氫原理

 

  圖2

  理論上同時驅動OER和HER的最小電壓為1.23V,但是,在實際電解過程中需要額外的電位去激活和克服原始反應能壘,即過電位(η)。

  因此,盡可能地降低水電解的過電位、降低能耗是發展電解制氫的關鍵,而加入催化劑可以降低過電位,提高反應速率。

  在海水電解制氫過程中,對于HER,天然海水中存在各種溶解的陽離子(Na?,Mg²? ,Ca²?等)、細菌/微生物和小顆粒等雜質。

  這些雜質可能會隨海水電解過程的進行而產生Mg(OH)?、Ca(OH)?沉淀物覆蓋催化劑活性位點,從而使催化劑中毒失去活性。

  對于陽極來說,OER是一個復雜的四電子質子轉移反應,反應動力學緩慢,需要更高的過電位。

  而海水中的高濃度氯離子帶來的析氯反應(Chlorine Evolution Reactions,ClER)和次氯酸鹽的形成都是二電子反應,與OER反應相比,反應動力學較快,因此會干擾OER并與之競爭,進而降低轉化效率。

  因此,開發具有高活性、高選擇性的海水電解催化劑,對于避免海水中離子及雜質的影響至關重要。在國內外海水電解制氫方面,目前研究主要圍繞HER催化劑、OER催化劑、雙功能催化劑以及電解系統等開展。

  1、陰極反應

  對于陰極析氫反應(HER),直接海水裂解中最具挑戰性的問題是天然海水中存在各種溶解的陽離子(Na?,Mg²? ,Ca²?等),細菌/微生物和小顆粒等雜質。

  這些雜質會隨海水電解過程的進行阻塞電極,進而毒害或加速電解系統中電極/催化劑的老化,導致耐久性變差。

  具體來說,隨著電解電流密度的增加,電極表面局部酸堿度會急劇變化(圖3:在H?飽和、無緩沖的pH1~13溶液中,通過循環伏安法獲得的電流密度-表面酸堿度關系),因此可能導致Ca(OH)?和Mg(OH)?沉淀的形成,并阻塞陰極活性位點。

  

圖3

 

  圖3

  為了解決該問題,目前的海水電解系統需要一種緩沖溶液或添加劑來穩定酸堿度波動。除此之外,設計合適的電解槽和隔膜等其他策略也有可能克服這一挑戰。

  此外,取決于所施加的電解電勢,海水電解過程中還可能發生涉及金屬離子(如Na?,Cu²?,Pb²?)在陰極的競爭反應(圖4:提高HER催化劑在海水中長期穩定性的挑戰和潛在解決方案 a)。因此,抑制這些電化學過程對于海水中HER電催化劑的設計至關重要。

  在這方面,采用合適的隔膜將催化劑與海水中的金屬離子分離(圖4:提高HER催化劑在海水中長期穩定性的挑戰和潛在解決方案 b)、開發具有耐腐蝕性或選擇性的催化劑(圖4:提高HER催化劑在海水中長期穩定性的挑戰和潛在解決方案 c),或使用如附著在催化劑上的選擇性滲透阻擋層(圖4:提高HER催化劑在海水中長期穩定性的挑戰和潛在解決方案 d)等,被認為是提高HER電催化劑在海水中的長期穩定性的潛在解決方案。

  

圖4

 

  圖4

  鉑系金屬被認為是HER基準電催化劑,在酸性、堿性和中性條件下均表現出最好的性能。但是,在海水電解過程中,其HER性能與在淡水電解質中的表現相差甚遠。

  另外,貴金屬的稀缺和高成本極大地阻礙了其大規模應用。因此,在實際應用中,在保持高活性的同時減少鉑的使用至關重要。

  Yang Fengning等通過兩步法制備Pt/Ni-Mo析氫催化劑,在113mV的過電勢下模擬海水和工業條件,可在堿性溶液下穩定運行超過140小時,鹽水(1M KOH+0.5 M NaCl)中達到2000 mA/cm²的電流密度,是迄今為止的最佳性能,并能夠實現700cm²大面積制備。

  除貴金屬催化劑以外,探索廉價、高效和穩定的電催化材料是海水電解制氫的重要方向。過渡金屬的催化活性被認為僅次于Pt族金屬,而且價格便宜,其中Ni被認為是最有前途的催化劑之一。

  一些研究人員制備了基于Ni的合金催化劑Ti/NiM(M=Co、Cu、Au、Pt),在HER中表現出顯著的活性,但新型鎳基催化劑還存在穩定性不足的問題,這是其應用的潛在障礙。

  此外,非貴金屬HER催化劑還包括過渡金屬氧化物和氫氧化物、過渡金屬氮化物(TMNs)、過渡金屬磷化物(TMPs)、過渡金屬硫族化物、過渡金屬碳化物、過渡金屬雜化物等。

  TMPs因含量豐富、活性高和穩定性良好被用于海水HER。Lv Qingliang等報道了一種多孔的PF-NiCoP/NF析氫催化劑,在天然海水中具有高活性和持久性,且在287mV過電勢下可達到10 mA/cm²的電流密度,優于商業化的Pt/C(20wt%),其研究認為三維形貌、空穴結構和導電基板提高了比表面積、電子轉移和活性位點,從而有利于H?釋放。

  2、陽極反應

  對于陽極來說,海水中含有大量電化學活性陰離子(如Cl-)會干擾陽極OER并與之競爭。Strasser等人對陽極海水電解及其局限性進行了深入的分析,他們得出了OER和氯化物相關的Pourbaix圖(圖5)。

  

圖6

 

  圖5:天然海水模型中OER和氯化物相關的Pourbaix圖

  如圖5所示,析氯反應(ClER)和次氯酸鹽的形成都是二電子反應,與OER四電子反應相比,這在動力學上是有利的,因而導致通常觀察到的OER過電位比ClER高。

  因此,開發對OER具有高選擇性的電催化劑,對于避免海水直接電解過程中的ClER和次氯酸鹽的形成至關重要。

  用于從鹽水中生產氫氣的現有方法中還存在一些其他的效率低下問題。特別是,在無緩沖的溶液中的標準電解使得鹽水產生氧(低于~2.25V)。

  但是,在高于~2.26V時會產生氯。在陽極產生的任何氯立即水解,其還產生H?。隨著陽極酸性增強,氯化合物在陽極優先進行氧化,從而形成氯氣Cl?,其為腐蝕性物質。Cl?還與水反應形成次氯酸(HOCl)。

  該過程中,溶液的酸性增加會腐蝕電極材料,要求其被更換,并導致溶液有毒,使得危險化學品的處理變得必要。

  長久以來,高析氧活性的電催化劑通常是IrO?和RuO?等貴金屬催化劑,然而這兩種元素的稀有性決定了發展儲量豐富的過渡族OER高活性催化劑的必要性。

  由于OER復雜的四電子轉移過程呈現反應動力學緩慢的特征,為應對ClER與OER競爭這一挑戰,針對OER的選擇性海水電解提出了三種主要策略,即堿性設計原理、具有OER選擇性位點催化劑和Cl-阻擋層。

  堿性設計原理主要基于熱力學和動力學考慮,可以最大化OER和ClER之間的熱力學電勢差,從而保證對OER的高選擇性。過渡金屬氧化物和氫氧化物因引入氧空位,在堿性水中具有效活性位點,從而對OER具有良好的電催化性。

  此外,通過摻雜Mo、Co、Fe、Ni、Mn或增加活性位點,可以提高OER的選擇性。Yun Kuang等將硫化鎳(NiSx)生長在泡沫鎳上,又在硫化鎳外電沉積一層NiFe-LDH層狀雙金屬氫氧化物,形成多層電極結構。

  其中泡沫鎳起到導體的作用,NiFe-LDH為催化劑,中間硫化鎳會演變成負電荷層,由于靜電相斥而排斥海水中的氯離子,從而保護了陽極。

  正因為這種多層設計,陽極可以在工業電解電流密度(0.4-1A/cm²)下運行1000小時以上。但是,該研究尚存在諸多待研究的工程細節,實現規模化、工業化需要進行放大實驗。

  3、雙功能催化劑

  設計具有較高活性和持久性的HER和OER雙功能電解催化劑仍具有挑戰。盡管堿性介質中存在不同類型的雙功能水電解催化劑,如可對電子學性質和形貌進行必要改變的金屬硫族化合物、氮化物、氧化物和磷化物,但其中可在海水中直接電解的還很少。

  2020年,Wu Libo等通過“原位生長-離子交換-磷化”三步合成方法制備了雙金屬異質磷化物Ni?P-Fe?P,是一種具備了析氧反應(OER)和析氫反應(HER)雙功能的催化劑,實現了對海水的高效穩定全分解產氫,在2.004V電壓下全解水系統可達到500mA/cm²的電流密度,并且能穩定運行38小時以上。

  4、電解系統

  從應用角度來看,除了開發穩定高效的催化劑外,還必須設計合適的高性能、低成本海水電解槽。

  目前,堿性水電解槽(AlkalineWater Electrolysers,AWE)和質子交換膜水電解槽(Proton Exchange Membrane Water Electrolyser,PEMWE)兩種低溫(<100℃)電解槽在商業市場較為成熟;

  另外還有低溫的陰離子交換膜水電解槽(AnionExchange Membrane Water Electrolyser,AEMWE)和高溫水電解槽(High-Temperature Water Electrolysers,HTWE)兩種新興技術,其中高溫電解包括質子導電陶瓷電解(150~400℃)和固體氧化物電解(800~1000℃)。

  這些電解槽直接用來電解海水時,海水復雜的天然成分會對電解產生影響。其中主要問題是離子交換膜的物理或化學堵塞和金屬組件的腐蝕,例如海水中的Na?,Mg²? 和Ca²?離子會降低HTWE和PEMWE質子交換膜的性能;

  Cl-、Br-、SO4²-等陰離子又會對AEMWE、AWE和HTWE的膜性能產生不利影響。因此,開發穩定的隔膜是海水直接電解面臨的重要挑戰。

  研究認為采用超濾、微濾對天然海水進行簡單過濾,可以很大程度上解決固體雜質、沉淀物和微生物造成的物理堵塞。

  LiuZhao等基于固體氧化物電解技術嘗試了在高溫下進行海水電解制氫,在未使用貴金屬催化劑的條件下,以200mA/cm²的電流密度進行了420h的長期恒流電解,產氫速率為183 mL/min。

  在不回收高溫廢氣的前提下,其能量轉化效率可高達72.47%。且該方法由于先將海水加熱蒸發,海水中的絕大部分雜質不與電解槽接觸,因而難以對電解槽造成破壞,因此具有良好的應用前景。

  小結

  目前,海水電解制氫是直接利用海水制備氫氣最為成熟的技術,盡管已取得良好進展,但目前的研究仍處于早期階段,依然面臨著一些關鍵性挑戰:

  首先,對于海水電解槽,天然海水的成分復雜,如溶解的離子、細菌/微生物和雜質/沉淀物等,不可避免地導致催化劑的效率下降或對電解槽部件產生腐蝕。因此,海水的過濾/凈化是直接海水電解所必需的。

  其次,HER和OER電催化劑的長期耐久性也是具有挑戰性的任務之一,因為活性位點在海水裂解過程中易中毒或被堵塞。在這方面,采用合適的隔膜將催化劑與海水中的離子隔離,或開發具有抗腐蝕能力的催化劑,是針對這一問題的潛在解決方案。

  第三,海水電解中OER選擇性受到競爭的巨大挑戰。為了克服這種競爭,采用堿性海水電解質、開發具有OER選擇性活性中心催化劑或在催化劑上使用氯阻擋層成為目前有效解決方案。

  第四,為了深入理解海水裂解的反應機理,有必要開發先進的表征技術,如原位顯微鏡、光譜學和色譜法等技術。此外,迫切需要結合原位表征和理論計算對電催化劑在實際工作條件下的催化行為進行研究。

  第五,目前對海水裂解的研究主要局限于實驗室水平。為了滿足工業規模氫氣生產的要求,設計和放大用于海水電解的新型電解槽,以及開發合適的催化劑,仍需進行大量工作,借鑒工業淡水分離系統的成功經驗有可能加快這一進程。

  為解決以上問題,未來通過納米工程、表界面工程、摻雜、包覆、理論計算輔助探究活性位點來開發高性能HER/OER催化劑,以及采取選擇性滲透、覆蓋鈍化層、凈化、海水蒸氣等方式來避免海水離子和雜質對電解反應的干擾,以及開展海水電解制氫的放大試驗將進一步促進海水電解制氫技術的發展。

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