Havvand Brint

FORSKERE har udviklet et system, der kan producere grøn brint direkte fra havvand uden behov for nogen forbehandlingsprocesser som afsaltning. Holdet bag udviklingen, som involverer introduktionen af ​​et Lewis-syrelag på en overgangsmetaloxidkatalysator, siger, at metoden viser et stort potentiale for kommerciel anvendelse.

Over 97 % af vandet på Jordens overflade er saltvand i havene, 2 % er lagret som ferskvand i iskapper, gletsjere og snedækkede bjergkæder, og kun 1 % er til rådighed for vores daglige vandforsyningsbehov.

 
Saltvand kan gøres til drikkevand gennem en proces kaldet afsaltning, en teknik, som nogle områder rundt om i verden er afhængige af for at producere ferskvand til konsum og til husholdnings- og industribrug. Men afsaltning er en energikrævende proces, og endnu værre er den ofte drevet af energikilder, som er uholdbare.

Spaltning af vand i dets bestanddele er også godt forstået. Processen - kendt som elektrolyse - bruger en jævnstrøm mellem to elektroder nedsænket i en elektrolyt til at spalte vand til brint og ilt. Hydrogen dannes ved katoden eller den negative elektrode og oxygen ved den positive elektrode eller anoden.

Fordi en blanding af gasserne kan eksplodere, adskiller de fleste elektrolysatorer anoden og katoden med en tyk, porøs plastikplade, og metalkatalysatorer som nikkel og jern bruges til at fremskynde reaktionerne.

At sætte begge disse processer sammen, nemlig afsaltning af havvand, og derefter spalte det for at skabe brint har længe været udråbt som en af ​​de bedste løsninger til at levere rent og overkommeligt brændstof til energi, som igen kunne drive alt fra en bys elektricitet til at stål, der producerer gødning og endda som brændstof til fly – listen over potentielle anvendelser er lang.

En af grundene til, at vi ikke allerede bruger brintbrændstof til at flyve rundt i verden, er, at saltvand og andre urenheder korroderer elektroder, hvilket forkorter deres levetid. Da disse komponenter typisk er lavet af sjældne metaller som platin, koster det for meget at blive ved med at erstatte dem. Chloridioner i havvand er også et problem, og chlorelektrooxidationsreaktioner (ClOR) konkurrerer med oxygenudviklingsreaktion (OER) på anoden under elektrolyse. Denne reaktion resulterer i frigivelse af giftige og ætsende klorarter såsom hypochlorit. Hypoklorit er relativt ustabilt, det kan frigive giftig klorgas, når det blandes med ammoniak eller syre, og det kan også tære på rustfrit stål.

For at komme udenom dette kunne havvandet afsaltes og renses, inden det behandles, men det er heller ikke altid økonomisk rentabelt. En anden mulighed er at belægge elektroderne med polyanioner for at undertrykke korrosion, men det kan også være dyrt.

Få klimaløsninger kommer uden ulemper. "Grønt" brint, fremstillet ved at bruge vedvarende energi til at spalte vandmolekyler, kunne drive tunge køretøjer og dekarbonisere industrier som stålfremstilling uden at udslynge en snert af kuldioxid. Men fordi vandopdelingsmaskinerne eller elektrolysatorerne er designet til at arbejde med rent vand, kan opskalering af grøn brint forværre den globale mangel på ferskvand. Nu rapporterer flere forskerhold om fremskridt i at producere brint direkte fra havvand, som kan blive en uudtømmelig kilde til grøn brint.

I dag fremstilles næsten al brint ved at bryde metan fra hinanden og brænde fossile brændstoffer for at generere den nødvendige varme og tryk. Begge trin frigiver kuldioxid. Grøn brint kunne erstatte dette snavsede brint, men i øjeblikket koster det mere end dobbelt så meget, omkring $5 pr. kilogram. Det skyldes til dels de høje omkostninger ved elektrolysatorer, som er afhængige af katalysatorer lavet af ædle metaller. Det amerikanske energiministerium iværksatte for nylig en tiårelang indsats for at forbedre elektrolysatorer og bringe prisen på grønt brint ned til $1 pr. kilogram.

Hvis det lykkes, og grøn brintproduktion skyder i vejret, kan presset bygge på verdens ferskvandsforsyninger. At generere 1 kg brint ved hjælp af elektrolyse tager omkring 10 kg vand. At køre lastbiler og nøgleindustrier på grøn brint kan kræve omkring 25 milliarder kubikmeter ferskvand om året, svarende til vandforbruget i et land med 62 millioner mennesker, ifølge International Renewable Energy Agency.

Havvand er næsten ubegrænset, men at spalte det kommer med sine egne problemer. Elektrolysatorer er bygget meget ligesom batterier, med et par elektroder omgivet af en vandig elektrolyt. I et design spalter katalysatorer ved katoden vandmolekyler i hydrogen (H+) og hydroxyl (OH-) ioner. Overskydende elektroner ved katoden syr par af hydrogenioner til brintgas (H2), som bobler ud af vandet. OH-ionerne bevæger sig i mellemtiden gennem en membran mellem elektroderne for at nå anoden, hvor katalysatorer binder ilten til oxygengas (O2), der frigives.

Når der anvendes havvand, omdanner det samme elektriske stød, der genererer O2 ved anoden, også chloridionerne i saltvand til stærkt ætsende klorgas, som tærer på elektroderne og katalysatorerne. Dette får typisk elektrolysatorer til at svigte på få timer, når de normalt kan fungere i årevis.

Brint er et alsidigt kemikalie, der bruges til fremstilling af mange produkter, herunder gødning. Brint er også en nøglekomponent i brændselscelleteknologien, som udnytter elektriciteten produceret af vedvarende, men intermitterende energikilder som sol og vind. Det meste af den brint, der produceres på verdensplan, stammer fra en proces, hvor metan udsættes for varme og damp for at give brint.

Brint kan også fremstilles ved elektrolyse af vand, som bruger elektricitet til at spalte vandmolekyler til brint og ilt, der drives af vedvarende kilder som sol og vind. Men der er en hage. Elektrolyse kræver meget rent vand, der er blevet deioniseret, hvilket betyder, at alle urenheder, mineraler og elektronisk ladede partikler først skal fjernes. Konventionelle vandrensningsprocesser kræver dyrt udstyr og kan resultere i energitab.

Forskere ved Johns Hopkins University's Department of Environmental Health and Engineering har i samarbejde med Penn State University fundet en måde at bruge havvand som en direkte kilde til brint uden behov for foreløbig afsaltning. Deres resultater vises i Environmental Science & Technology.

"Vi fandt ud af, at vi kan bruge tyndfilmskompositmembraner, som bruges til at rense saltvand, i vandelektrolysatorer, opdele vandet i brintgas og ilt, samtidig med at vi undgår at producere skadelig klorgas, hvilket sker med andre membrantyper."
I deres undersøgelse testede Rossi og kolleger tyndfilmskompositmembraner direkte i elektrolysatoren - en enhed, der bruger elektricitet til at opdele vand til brint og ilt, hvilket i et enkelt trin opnåede både vandrensning og brintproduktion. De fandt ud af, at materialets porøse mikrostruktur kun tillod små protoner og hydroxidioner at migrere hen over membranen og afstøde urenheder og andre ioner, der kan producere uønskede reaktioner. Forskerne siger, at denne nye tilgang kunne erstatte konventionelle systemer, hvor dyre ionbyttermembraner bruges i kombination med ultrarent vandtilførsel.

"Billige vandafsaltningsmembraner kan være et alternativ til dyrere polymerbaserede membraner og kan bruges til brintproduktion fra lavkvalitetsvandkilder som havvand," sagde Rossi. "Resultatet er en effektiv brintproduktionsproces fra vedvarende energikilder, der eliminerer behovet for vandrensning."

Han bemærkede, at havvand er udfordrende at bruge i elektrolysatorer på grund af dets høje saltholdighed. Det er dog rigeligt og tilgængeligt på steder som kystområder, hvor vedvarende elektricitet som sol og vind kan genereres, men hvor der er lav tilgængelighed af ferskvand. På sådanne steder kan andre lavkvalitetsvandkilder såsom spildevand potentielt bruges i stedet for havvand i denne proces.

Det amerikanske National Science Foundation-finansierede hold integrerede vandrensningsteknologi i et nyt proof-of-concept design til en havvandselektrolysator, som bruger en elektrisk strøm til at adskille brint og oxygen i vandmolekyler.

Denne nye metode til "spaltning af havvand" kan gøre det lettere at omdanne vind- og solenergi til et opbevaringsbart og bærbart brændstof, ifølge Bruce Logan, en miljøingeniør.

"Brint er et fantastisk brændstof, men du skal klare det," sagde Logan. "Den eneste bæredygtige måde at gøre det på er at bruge vedvarende energi og producere den fra vand. Du skal også bruge vand, som folk ikke vil bruge til andre ting, og det ville være havvand. Altså den hellige gral ved at producere brint ville være at kombinere havvandet og vind- og solenergien, der findes i kyst- og offshoremiljøer."

På trods af overfloden af ​​havvand er det ikke almindeligt brugt til vandopdeling. Medmindre vandet afsaltes inden det kommer ind i elektrolysatoren, et dyrt ekstra trin, bliver kloridionerne i havvandet til giftig klorgas, som nedbryder udstyret og siver ud i miljøet.

For at forhindre dette indsatte forskerne en tynd, semipermeabel membran, der oprindeligt er udviklet til at rense vand i omvendt osmosebehandlingsprocessen. Den omvendte osmosemembran erstattede den ionbyttermembran, der almindeligvis anvendes i elektrolysatorer.
"Idéen bag omvendt osmose er, at du lægger virkelig højt tryk på vandet og skubber det gennem membranen og holder chloridionerne bagved," sagde Logan.

Gennem en række eksperimenter offentliggjort i Energy & Environmental Science testede forskerne to kommercielt tilgængelige omvendt osmosemembraner og to kationbyttermembraner, en type ionbyttermembran, der tillader bevægelse af alle positivt ladede ioner i systemet.

Ren energi er en topprioritet for lande verden over. Mens konventionel energi er afhængig af fossile brændstoffer som kul, naturgas og olie, kommer ren energi i forskellige former såsom sol, vind, geotermisk, vandkraft og biomasse.

Brint er også en førende energilagringsmulighed for vedvarende energi og kan hjælpe med at reducere de høje niveauer af kulstofemissioner.
Aktuel forskning tyder på, at saltvandselektrolyse - processen med at spalte vand til ilt og brint - er en levedygtig løsning på de fælles udfordringer ved ferskvandselektrolyse. Havvandselektrolyse kunne producere bæredygtig brint uden at forværre den globale ferskvandsmangel.

Ifølge United States Department of Energy Alternative Fuel Data Center er ren brint et rigeligt grundstof på Jorden, der viser et stort løfte om at støtte overgangen til ren, bæredygtig og vedvarende energi.

Efter at brint er produceret, kan det generere elektricitet i en brændselscelle og udsender kun vanddamp og varm luft. Fordi brint ikke frigiver drivhusgasser, nitrogenoxider, kulbrinter eller andre partikler, påvirker det ikke miljøet negativt.
Brint har andre fordele, der vil bidrage til at skabe en ren energiøkonomi. Det er en optimal energiløsning i typisk udfordrende områder at dekarbonisere. Det øger det moderne elnets pålidelighed og modstandskraft. Det kan også forbedre folkesundheden og miljøets tilstand.

Derudover kan det øge antallet af beskæftigelsesmuligheder og energisikkerhed i globale industrier. Det kan hjælpe transportindustrien med at blive mere bæredygtig og understøtte skiftet til elektriske køretøjer (EV'er). Og det kan bidrage til øget omsætning og styrker verdensøkonomien.

En udfordring med at øge omkostningerne forbundet med at producere grøn brint er, at elektrolysatorer kræver ultrarent vand. Dette gør traditionel saltvandselektrolyse vanskelig, fordi mange vandkilder er fyldt med forurenende stoffer.
Selvom EPA har strenge krav til vand på grund af tilstedeværelsen af ​​bly, klor og bakterier, betyder det ikke nødvendigvis, at alt vand er fri for forurenende stoffer.

Havvandselektrolyse
Havvandselektrolyseforskning opstod i begyndelsen af ​​det 19. århundrede. Selvom videnskabsmænd gjorde fremskridt inden for brintproduktion, vandt det aldrig trækkraft eller blev en levedygtig energiløsning. I det 20. århundrede blev brint for det meste udvundet af naturgas og brugt til at drive biler, busser, luftskibe og raketter.

Selvom det var muligt at bruge denne brint, var produktionen energiintensiv og bidrog til kulstofemissioner, en af ​​hovedårsagerne til klimaændringer. Derudover filtrerer nogle byer kommunalt fast affald med brintbrændselscelleteknologi, som producerer brint og forhindrer affalds-afledt forurening i lokale vandforsyninger.

Forskellige forskere og videnskabsmænd udvikler avancerede teknologier ved hjælp af havvandselektrolyse for at undgå disse udfordringer. Hvis disse teknologier fungerer korrekt, vil de producere bæredygtig brint uden at bruge ferskvandsressourcer eller bidrage til kulstofemissioner.

Produkter sælges i alle regioner i Kina og eksporteres til lande rundt om i verden. De er blevet solgt i mere end 20 lande og regioner, herunder USA, Tyskland, Marokko, Kenya, Saudi-Arabien, Vietnam, Algeriet, Indien, Tanzania og Taiwan. Med succes leveret velkendte virksomheder som China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group og andre velkendte virksomheder. Der er mange grønne brinthydrogeneringsstationer, såsom Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, osv. leverer grønne og brintfremstillede projekter.