Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Диаграмма в химическом уравнении из электролиза воды , в виде водного расщепления.

Расщепление воды - это химическая реакция, в которой вода расщепляется на кислород и водород :

2 Н 2 О → 2 Н 2 + О 2

Эффективное и экономичное разделение воды стало бы технологическим прорывом, который мог бы поддержать водородную экономику , основанную на экологически чистом водороде . Вариант расщепления воды происходит при фотосинтезе , но водород не образуется. Обратное разделение воды является основой водородного топливного элемента .

Электролиз [ править ]

Основная статья: Электролиз воды
Передняя часть электролизера с электрической панелью на переднем плане

Электролиз воды - это разложение воды (H 2 O) на кислород (O 2 ) и водород (H 2 ) под действием электрического тока , проходящего через воду. [1]

Использование атмосферного электричества для химической реакции, в которой вода разделяется на кислород и водород. (Изображение взято: Vion, патент США 28793. Июнь 1860 г.)
  • Vion, патент США 28,793 , «Улучшенный метод использования атмосферного электричества», июнь 1860 г.

В схемах производства электроэнергии и газа избыточная мощность или внепиковая мощность, создаваемая ветряными генераторами или солнечными батареями, используется для балансировки нагрузки энергосистемы путем хранения и последующего нагнетания водорода в сеть природного газа.

Электролиз водного корабля Hydrogen Challenger

Производство водорода из воды энергоемко. Возможные источники электроэнергии включают гидроэнергетику, ветряные турбины или фотоэлектрические элементы. Обычно потребляемая электроэнергия более ценится, чем произведенный водород, поэтому этот метод не получил широкого распространения. В отличие от низкотемпературного электролиза, высокотемпературный электролиз (HTE) воды преобразует большую часть начальной тепловой энергии в химическую энергию (водород), потенциально повышая эффективность вдвое до примерно 50%. 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), поэтому процесс становится более эффективным.

Расщепление воды при фотосинтезе [ править ]

Вариант расщепления воды происходит при фотосинтезе , но электроны шунтируются не на протоны, а на цепь переноса электронов в фотосистеме II . Электроны используются для преобразования диоксида углерода в сахара.

Когда фотосистема I становится фотовозбужденной, инициируются реакции переноса электронов, что приводит к восстановлению ряда акцепторов электронов, в конечном итоге восстанавливая NADP + до NADPH, а PS I окисляется. Окисленная фотосистема I захватывает электроны из фотосистемы II через ряд этапов с участием таких агентов, как пластохинон, цитохромы и пластоцианин. Фотосистема II затем вызывает окисление воды, что приводит к выделению кислорода, причем реакция катализируется кластерами CaMn 4 O 5, встроенными в сложную белковую среду; комплекс известен как комплекс с выделением кислорода (OEC). [2] [3]

Водорослей биореактор для производства водорода.

При биологическом производстве водорода электроны, производимые фотосистемой, направляются не в устройство химического синтеза, а в гидрогеназы , что приводит к образованию H 2 . Этот биоводород производится в биореакторе . [4]

Фотоэлектрохимическое расщепление воды [ править ]

Основные статьи: фотоэлектрохимическая ячейка и искусственный фотосинтез

Использование электроэнергии, производимой фотоэлектрическими системами, потенциально предлагает самый чистый способ производства водорода, кроме ядерной, ветровой, геотермальной и гидроэлектрической энергии. Опять же, вода распадается на водород и кислород при электролизе, но электрическая энергия получается с помощью процесса фотоэлектрохимического элемента (PEC). Систему также называют искусственным фотосинтезом . [5] [6] [7] [8]

Фотокаталитическое расщепление воды [ править ]

Основная статья: Фотокаталитическое расщепление воды

Преобразование солнечной энергии в водород посредством процесса расщепления воды - один из самых интересных способов [ цитата ] для достижения чистой и возобновляемой энергии. Этот процесс может быть более эффективным, если ему помогают фотокатализаторы, взвешенные непосредственно в воде, а не фотоэлектрическая или электролитическая система, так что реакция протекает в один этап. [9] [10]

Радиолиз [ править ]

Основная статья: Радиолиз § Производство водорода

Ядерное излучение обычно разрушает водные связи, в Mponeng золотом прииске , Южной Африки , исследователи обнаружили в природе зоне высокой радиации , сообщество доминирует новый phylotype из Desulfotomaculum , питаясь в основном радиолитическому производства H 2 . [11] Отработанное ядерное топливо / «ядерные отходы» также рассматривается как потенциальный источник водорода.

Наногальванический порошок алюминиевого сплава [ править ]

Основная статья: Наногальванические сплавы на основе алюминия

Было показано, что порошок алюминиевого сплава, изобретенный исследовательской лабораторией армии США в 2017 году, способен производить газообразный водород при контакте с водой или любой жидкостью, содержащей воду, благодаря своей уникальной наноразмерной гальванической микроструктуре. Сообщается, что он производит водород с выходом 100 процентов от теоретического без необходимости использования каких-либо катализаторов, химикатов или внешней энергии. [12] [13]

Нано-гальванический порошок на основе алюминия, разработанный Исследовательской лабораторией армии США.

Термическое разложение воды [ править ]

Основная статья: Термохимический цикл

При термолизе молекулы воды расщепляются на атомарные компоненты - водород и кислород . Например, при 2200 ° C около трех процентов всей H 2 O диссоциирует на различные комбинации атомов водорода и кислорода, в основном 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 более половины молекул воды разлагается, но при температуре окружающей среды только одна молекула из 100 триллионов диссоциирует под действием тепла. [14] Высокие температуры и материальные ограничения ограничивают возможности применения этого подхода.

Ядерно-тепловая [ править ]

См. Также: NGNP

Одним из побочных преимуществ ядерного реактора, производящего и электричество, и водород, является то, что он может переключать производство между ними. Например, электростанция может производить электричество днем ​​и водород ночью, согласовывая свой профиль выработки электроэнергии с дневными колебаниями спроса. Если водород можно производить экономично, эта схема будет выгодно конкурировать с существующими схемами хранения энергии в сети . Более того, потребность в водороде в Соединенных Штатах достаточно высока, чтобы такие станции могли справиться со всей суточной пиковой выработкой. [15]

Гибридный термоэлектрический цикл «медь-хлор» - это когенерационная система, использующая отходящее тепло ядерных реакторов, в частности сверхкритического водяного реактора CANDU . [16]

Солнечно-тепловая [ править ]

Высокие температуры, необходимые для разделения воды, могут быть достигнуты за счет использования концентрированной солнечной энергии . Hydrosol-2 - это 100-киловаттная пилотная установка на Plataforma Solar de Almería в Испании, которая использует солнечный свет для получения необходимой температуры от 800 до 1200 ° C для разделения воды. Hydrosol II находится в эксплуатации с 2008 года. Проект этой 100-киловаттной опытной установки основан на модульной концепции. В результате может оказаться возможным, что эта технология может быть легко расширена до мегаваттного диапазона путем умножения имеющихся реакторных блоков и подключения станции к полям гелиостата (поля зеркал, отслеживающих солнце) подходящего размера. [17]

Материальные ограничения из-за требуемых высоких температур уменьшаются за счет конструкции мембранного реактора с одновременным извлечением водорода и кислорода, который использует определенный температурный градиент и быструю диффузию водорода. Благодаря концентрированному солнечному свету в качестве источника тепла и только воде в реакционной камере получаемые газы очень чистые, и единственным возможным загрязнителем является вода. «Солнечная установка для взлома воды» с концентратором площадью около 100 м² может производить почти один килограмм водорода за один солнечный час. [18]

Исследование [ править ]

Основная статья: Фотокаталитическое расщепление воды

Исследования проводятся по фотокатализу , [19] [20] ускорению фотореакции в присутствии катализатора. Его понимание стало возможным с момента открытия электролиза воды с помощью диоксида титана. Искусственный фотосинтез - это область исследований, которая пытается воспроизвести естественный процесс фотосинтеза, преобразовывая солнечный свет, воду и углекислый газ в углеводы и кислород. Недавно удалось расщепить воду на водород и кислород с помощью искусственного соединения под названием нафион . [21]

Высокотемпературный электролиз (также HTE или паровой электролиз ) - это метод, который в настоящее время исследуется для производства водорода из воды с кислородом в качестве побочного продукта. Другие исследования включают термолиз на дефектных углеродных подложках, что делает возможным производство водорода при температурах чуть ниже 1000 ° C. [22]

Цикл оксида железа - это серия термохимических процессов, используемых для производства водорода . Цикл оксида железа состоит из двух химических реакций , чистым реагентом которых является вода, а чистыми продуктами - водород и кислород . Все остальные химические вещества перерабатываются. Процесс оксида железа требует эффективного источника тепла.

Цикл серы-йод (СИ цикл) представляет собой ряд термохимических процессов , используемых для получения водорода . Цикл SI состоит из трех химических реакций , чистым реагентом которых является вода, а чистыми продуктами - водород и кислород . Все остальные химические вещества перерабатываются. Процесс SI требует эффективного источника тепла.

Было описано более 352 термохимических циклов расщепления или термолиза воды . [23] Эти циклы обещают производить водородный кислород из воды и тепла без использования электричества. [24] Поскольку вся энергия, поступающая в такие процессы, представляет собой тепло, они могут быть более эффективными, чем высокотемпературный электролиз. Это связано с тем, что эффективность производства электроэнергии ограничена по своей природе. Термохимическое производство водорода с использованием химической энергии из угля или природного газа обычно не рассматривается, поскольку прямой химический путь более эффективен.

Для всех термохимических процессов суммарная реакция - это реакция разложения воды:

Все остальные реагенты перерабатываются. Ни один из процессов термохимического производства водорода не был продемонстрирован на уровне производства, хотя некоторые из них были продемонстрированы в лабораториях.

Также проводятся исследования способности наночастиц и катализаторов снижать температуру расщепления воды. [25] [26]

Недавно было показано, что материалы на основе металлорганического каркаса (MOF) являются очень многообещающим кандидатом для расщепления воды дешевыми переходными металлами первого ряда . [27] [28]

Исследования сосредоточены на следующих циклах: [24]

Термохимический циклLHV ЭффективностьТемпература (° C / F)
Цикл оксид церия (IV)-оксид церия (III) (CeO 2 / Ce 2 O 3 )? %2000 ° C (3630 ° F)
Гибридный цикл серы (HyS)43%900 ° C (1650 ° F)
Серно-йодный цикл (цикл SI)38%900 ° C (1650 ° F)
Цикл сульфата кадмия46%1000 ° C (1830 ° F)
Цикл сульфата бария39%1000 ° C (1830 ° F)
Цикл сульфата марганца35%1100 ° C (2010 ° F)
Цинк цинк-оксидный цикл (Zn / ZnO)44%1900 ° C (3450 ° F)
Гибридный кадмиевый цикл42%1600 ° C (2910 ° F)
Карбонатный цикл кадмия43%1600 ° C (2910 ° F)
Цикл оксида железа ( )42%2200 ° C (3990 ° F)
Натрий-марганцевый цикл49%1560 ° С (2840 ° F)
Никель-марганец-ферритный цикл43%1800 ° C (3270 ° F)
Цикл феррита цинка марганца43%1800 ° C (3270 ° F)
Медно-хлорный цикл (Cu-Cl)41%550 ° С (1022 ° F)

См. Также [ править ]

  • Фотокаталитическое расщепление воды
  • Реакция конверсии водяного газа

Ссылки [ править ]

  1. ^ Хауч, Энн; Эббесен, Сун Далгаард; Йенсен, Сорен Хойгаард; Могенсен, Могенс (2008). «Высокоэффективный высокотемпературный электролиз». Журнал химии материалов . 18 (20): 2331. DOI : 10.1039 / b718822f .
  2. ^ Яно, J .; Kern, J .; Sauer, K .; Латимер, MJ; Пушкарь, Ю .; Biesiadka, J .; Loll, B .; Saenger, W .; Messinger, J .; Zouni, A .; Ячандра В.К., где вода окисляется до кислорода: структура фотосинтетического кластера Mn (4) Ca. Science 2006, 314, 821-825.
  3. ^ Барбер Дж. Кристаллическая структура комплекса фотосистемы с выделением кислорода II. Неорганическая химия 2008, 47, 1700-1710.
  4. ^ Отчет DOE 2008 25%
  5. ^ Электрод освещает путь к искусственному фотосинтезу
  6. ^ Прорыв в солнечной энергии: исследователи нашли дешевый и простой способ хранения энергии, производимой солнечной энергией.
  7. ^ http://swegene.com/pechouse-a-proposed-cell-solar-hydrogen.html
  8. ^ дель Валле, Ф .; Ishikawa, A .; Домен, К .; Виллория Де Ла Мано, JA; Санчес-Санчес, MC; Гонсалес, ID; Herreras, S .; Mota, N .; Ривас, Мэн (май 2009 г.). «Влияние концентрации Zn на активность твердых растворов Cd1-xZnxS при расщеплении воды в видимом свете». Катализ сегодня . 143 (1–2): 51–59. DOI : 10.1016 / j.cattod.2008.09.024 .
  9. ^ дель Валле, Ф .; и другие. (Июнь 2009 г.). «Расщепление воды на полупроводниковых катализаторах при облучении видимым светом». ChemSusChem . 2 (6): 471–485. DOI : 10.1002 / cssc.200900018 . PMID 19536754 . 
  10. ^ дель Валле, Ф .; и другие. (2009). Фотокаталитическое расщепление воды в видимом свете: концепция и требования к материалам . Успехи в химической инженерии. 36 . С. 111–143. DOI : 10.1016 / S0065-2377 (09) 00404-9 . ISBN 9780123747631.
  11. ^ Ли-Хун Линь; Пей-Лин Ван; Дуглас Рамбл; Йоханна Липпманн-Пипке; Эрик Бойс; Лиза М. Пратт; Барбара Шервуд Лоллар ; Эоин Л. Броди; Терри К. Хейзен; Гэри Л. Андерсен; Тодд З. ДеСантис; Дуэйн П. Мозер; Дэйв Кершоу и ТК Онстотт (2006). «Долгосрочная устойчивость высокоэнергетического биома земной коры с низким разнообразием» . Наука . 314 (5798): 479–82. Bibcode : 2006Sci ... 314..479L . DOI : 10.1126 / science.1127376 . PMID 17053150 . S2CID 22420345 .  
  12. ^ "Наногальванические сплавы на основе алюминия для производства водорода" . Научно-исследовательская лаборатория Командования развития боевых возможностей армии США . Проверено 6 января 2020 года .
  13. ↑ МакНелли, Дэвид (25 июля 2017 г.). «Открытие армии может предложить новый источник энергии» . Армия США . Проверено 6 января 2020 года .
  14. ^ е. Функ, Дж. (2001). «Термохимическое производство водорода: прошлое и настоящее». Международный журнал водородной энергетики . 26 (3): 185–190. DOI : 10.1016 / S0360-3199 (00) 00062-8 .
  15. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 27 сентября 2007 года . Проверено 3 марта 2010 . CS1 maint: archived copy as title (link)
  16. ^ Натерер, GF; и другие. (2009). «Последние достижения Канады в ядерном производстве водорода и термохимическом цикле Cu-Cl». Международный журнал водородной энергетики . 34 (7): 2901–2917. DOI : 10.1016 / j.ijhydene.2009.01.090 .
  17. ^ "Портал DLR" .
  18. ^ "H2 Power Systems" .
  19. ^ Стратегии разработки фотокатализаторов на основе видимого света для расщепления воды Akihiko Kudo, Hideki Kato1 и Issei Tsuji Chemistry Letters Vol. 33 (2004), № 12 с. 1534
  20. ^ Чу, Шэн; Ли, Вэй; Хаманн, Томас; Ши, Ишианг; Ван, Дуньвэй; Ми, Цзетянь (2017). «Дорожная карта по солнечному разделению воды: текущее состояние и перспективы на будущее» . Нано-фьючерсы . 1 (2): 022001. Bibcode : 2017NanoF ... 1b2001C . DOI : 10.1088 / 2399-1984 / aa88a1 . S2CID 3903962 . 
  21. ^ "Команда Монаш учится у природы разбивать воду" .
  22. ^ Костов, МК; Santiso, EE; Джордж, AM; Губбинс, К.Э. и Нарделли, М. Буонджорно (2005). «Диссоциация воды на дефектных углеродных подложках» ( PDF ) . Письма с физическим обзором . 95 (13): 136105. Bibcode : 2005PhRvL..95m6105K . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.95.136105 . PMID 16197155 . Проверено 5 ноября 2007 .  
  23. ^ 353 Термохимические циклы
  24. ^ a b Развитие термохимического производства водорода из воды на солнечных батареях.
  25. ^ Наоптек
  26. ^ «Гигантский скачок» для чистой энергии: прорыв в производстве водорода от Массачусетского технологического института » .
  27. ^ Das; и другие. (2013). «Устойчивое окисление воды каталитической клеткой, изолированной в металлоорганической структуре». Angewandte Chemie International Edition . 52 (28): 7224–7227. CiteSeerX 10.1.1.359.7383 . DOI : 10.1002 / anie.201301327 . PMID 23729244 .  
  28. ^ Хансен; Дас (2014). «Текст» . Энергетика и экология . 7 (1): 317–322. DOI : 10.1039 / C3EE43040E .

Внешние ссылки [ править ]

  • JEAC