برقکافت آب قلیایی
برقکافت آب قلیایی یا در اصطلاح رایج الکترولیز آب قلیایی عملیاتی است که در آن با داشتن دو الکترود در یک الکترولیت قلیایی مایع مشخص میشود. معمولاً از محلول هیدروکسید پتاسیم (KOH) یا هیدروکسید سدیم (NaOH) با درصد وزنی بین ۲۵ تا ۴۰ استفاده میشود.[۱] این الکترودها توسط یک غشا از یکدیگر جدا شدهاند که گازهای تولید شده را از هم جدا میکند و وظیفه اصلی آن انتقال یونهای هیدروکسید میباشد.[۲] این فناوری تاریخ طولانی در صنعت الکتروشیمیایی دارد. اولین تقاضای مهم برای هیدروژن در اواخر قرن نوزدهم برای هواپیماهای سبک پدید آمد. در انتهای این بخش طرحوارهای از این دستگاه آورده شدهاست
هدف از بکارگیری چنین دستگاهی استخراج هیدروژن خالص از اب میباشد و استفاده از آن هیدروژن به عنوان سوخت جایگزین در صنعت و دنیای امروزی با هدف کاهش آلودگی هوا و رواج توسعه پایدار است.[۳]
مزایا ویرایش
- عدم تولید گازهای گلخانهای
- تولید هیدروژن با خلوص بالا
- هزینه تولید و پایین نگهداری
- بازده انرژی بالا
محدودیتها ویرایش
- نیازمند آب با خلوص بالا
- بازدهی وابسته به دما
- نرخ تولید هیدروژن پایین
ساختار کلی و مواد آنها ویرایش
بهطور کلی الکترولایزر از دو الکترود و یک جداکننده (دیافراگرام) میباشند که در ادامه به توضیح آنها پرداخته میشود:
بهطور کلی، فلزات مبتنی بر نیکل به عنوان الکترودهای الکترولیز آب قلیایی استفاده میشوند و دلیل اصلی آن قیمت پایین فلز خالص آن در مقایسه با فلزات دیگری نظیر پلاتین میباشد. همچنین به عنوان یک فلز پایدار در حین تولید اکسیژن مولکولی میباشد. فولاد زنگنزن نیز به گزینه دیگر برای الکترود آن شناخته میشود که نسبت به نیکل پایداری بالاتری دارد و همچنین اکتیویته واکنش آن در دمای بالا حین واکنش تولید واکنش اکسیژن مولکولی (OER) میباشد.[۴]
همچنین برای افزایش خواص کاتالیست الکترودها میتوان از آلیاژسازی نیکل بهره برده میشود برای مثال آلیاژ نیکل-آلومنیوم که به نیکل رینی نیز شناخته میشود با خواص کاتالیزوری مناسب از جمله گزینههای رایج مورد استفاده است.[۵]
الکترودها معمولاً توسط یک فویل منفذی نازک (با ضخامت بین ۰٫۰۵۰ تا ۰٫۵ میلیمتر) از یکدیگر جدا شدهاند که به آن جداکننده گویند. جداکننده به رسانایی الکترونی ندارد، بنابراین از اتصال کوتاه الکتریکی بین الکترودها جلوگیری میکند و در عین حال فاصلههای کوچک بین الکترودها را امکانپذیر میکند. همچنین رسانایی یونی توسط محلول آبی قلیایی از طریق نفوذ آنها تأمین میگردد.[۶] رایجترین ماده مورد استفاده در جداکننده Zirfon میباشد که ترکیبی از زیرکونیا (اکسید زیرکونیم) و پلی سولفون میباشد. وظیفه دیگر جداکننده جلوگیری از مخلوط شدن هیدروژن و اکسیژن در الکترودها میباشد.[۷]
واکنشهای الکتروشیمیایی ویرایش
آند ویرایش
در سمت این الکترود واکنش تولید اکیسژن مولکولی انجام میگردد و از طریق جاذب مختلف نظیر O, OH و OOH میباشد. واکنشسهای محتمل در این الکترود در ادامه به شرح زیر آمدهاست، همچنین واکنش کلی که در آن رخ خواهد داد در انتهای واکنشها آورده شدهاست:[۸][۹]
کاتد ویرایش
در این الکترود واکنش تولید هیدروژن انجام میگردد که با جذب آب شروع و با تجزیه ان ادامه مییابد. واکنشهای مرتبط به این الکترود در ادامه آورده شدهاست: سه واکنش از ابتدای جذب اب وجود دارد که به ترتیب وجود دارد که عبارتند از ولمر، تافل و هفروسکی. در واکنش ولمر آب به یونهای H و OH تجزیه میگردد، در تافل از کنارهگیری دو یون هیدروژن یک مولکول هیدروژن تولید میشود و در واکنش هفروسکی نیز یون هیدروژنهای تک دوباره با آب واکنش کرده و سبب تشکیل هیدروژن مولکولی بیشتری میگردد.[۸][۱۰]
Volmer step: |
Tafel step: |
Heyrovsky step: |
مقایسه با الکترولایزرهای PEM و SOEC ویرایش
با توجه ویژگیهای ذکر شده دربارهٔ این ماده و مواد مورد استفاده در آن میتوان موارد زیر را دربارهٔ مقایسه آن در نظر گرفت.[۱۱]
- هزینه کمتری به نسبت گروههای دیگر
- دوام بالاتر در حین فرایند
- خلوص بالاتر گاز تولید شده
- انحلال پذیری کمتر کاتالیست مورد استفاده
منابع ویرایش
- ↑ Tsoutsos, T. (1 January 2010). "8 - Hybrid wind–hydrogen energy systems". Stand-Alone and Hybrid Wind Energy Systems. Woodhead Publishing. pp. 254–281. doi:10.1533/9781845699628.2.254.
- ↑ Grigoriev, Sergey A.; Fateev, Vladimir N.; Millet, Pierre (1 January 2022). "4.18 - Alkaline Electrolysers". Comprehensive Renewable Energy (Second Edition). Elsevier. pp. 459–472. doi:10.1016/b978-0-12-819727-1.00024-8.
- ↑ "AGFA Zirfon Perl Product Specification". Archived from the original on 2018-04-23. Retrieved 29 January 2019.
- ↑ Cherevko, Serhiy; Geiger, Simon; Kasian, Olga; Kulyk, Nadiia; Grote, Jan-Philipp; Savan, Alan; Shrestha, Buddha Ratna; Merzlikin, Sergiy; Breitbach, Benjamin; Ludwig, Alfred; Mayrhofer, Karl J.J. (March 2016). [10.1016/j.cattod.2015.08.014 "Oxygen and hydrogen evolution reactions on Ru, RuO 2 , Ir, and IrO 2 thin film electrodes in acidic and alkaline electrolytes: A comparative study on activity and stability"]. Catalysis Today (به انگلیسی). pp. 170–180. doi:10.1016/j.cattod.2015.08.014.
{{cite web}}
: Check|url=
value (help) - ↑ Schiller, G.; Henne, R.; Borck, V. (June 1995). [10.1007/BF02646111 "Vacuum plasma spraying of high-performance electrodes for alkaline water electrolysis"]. Journal of Thermal Spray Technology (به انگلیسی). pp. 185–194. doi:10.1007/BF02646111.
{{cite web}}
: Check|url=
value (help) - ↑ Grigoriev, Sergey A.; Fateev, Vladimir N.; Millet, Pierre (1 January 2022). "4.18 - Alkaline Electrolysers". Comprehensive Renewable Energy (Second Edition). Elsevier. pp. 459–472. doi:10.1016/b978-0-12-819727-1.00024-8.
- ↑ Haug, Philipp; Koj, Matthias; Turek, Thomas (April 2017). [10.1016/j.ijhydene.2016.12.111 "Influence of process conditions on gas purity in alkaline water electrolysis"]. International Journal of Hydrogen Energy (به انگلیسی). pp. 9406–9418. doi:10.1016/j.ijhydene.2016.12.111.
{{cite web}}
: Check|url=
value (help) - ↑ ۸٫۰ ۸٫۱ Scott, Keith (2020). Electrochemical methods for hydrogen production. Cambridge: Royal Society of Chemistry. ISBN 978-1-78801-378-9.
- ↑ Diaz-Morales, Oscar; Ferrus-Suspedra, David; Koper, Marc T. M. (2016). "The importance of nickel oxyhydroxide deprotonation on its activity towards electrochemical water oxidation". Chemical Science. 7 (4): 2639–2645. doi:10.1039/C5SC04486C. PMC 5477031. PMID 28660036.
- ↑ Diaz-Morales, Oscar; Ferrus-Suspedra, David; Koper, Marc T. M. (2016). "The importance of nickel oxyhydroxide deprotonation on its activity towards electrochemical water oxidation". Chemical Science. 7 (4): 2639–2645. doi:10.1039/C5SC04486C. PMC 5477031. PMID 28660036.
- ↑ Tsoutsos, T. (1 January 2010). "8 - Hybrid wind–hydrogen energy systems". Stand-Alone and Hybrid Wind Energy Systems. Woodhead Publishing. pp. 254–281. doi:10.1533/9781845699628.2.254.