一种能产生绿色的脱盐-电解联合系统由中国的一个团队直接从海水中开发出来。这种综合工艺使用低能量的方法来净化海水,使其成为第一个使用盐水作为氢来源的可行方法之一。净化步骤使用相变去除杂质,并可能在废水处理和资源回收中有额外的应用。

电裂解水的实验已经进行了200多年,其中的反应众所周知:在阴极,H+离子获得电子形成氢气,而OH-离子在阳极失去电子形成氢气氧气.但是,尽管基础化学很简单,有效电解是一个特别复杂的过程。水裂解在热力学上是不利的,需要专门设计的催化电极和大量的能量来驱动反应。即使是微量杂质也会破坏电池的微妙结构,导致膜孔堵塞,昂贵的电极被腐蚀,并形成不必要的副产物。

海水中的氯离子是一个特殊的问题,在阳极经过竞争氧化产生.这种副反应不仅降低了电池的电化学效率,而且氯是一种极具腐蚀性的气体,它能迅速降解电极并使电池失去活性。中国深圳大学的能源化学家谢和平解释说,通过涂层催化剂来抑制腐蚀的方法已经取得了一定的成功。“但海水的成分会随着位置、季节和人类行为的变化而变化,所以电解液不可能普遍兼容。”“海水的平均盐浓度约为3.5%,氯化物含量使直接电解不可行。

南京工业大学(Nanjing industrial University)电催化化学家邵宗平(音译)说,在电解前对海水进行淡化处理可以消除问题。但它需要额外的能源和空间,因此在经济上和实践上都不那么有吸引力。目前,海水淡化的能源成本超过了电解产生的氢气的价值。然而,丰富的海水,再加上对绿色燃料的迫切需求,正激励着研究人员寻找解决这些问题的创新方案。

分裂的海水

通过利用蒸发的净化能力,谢和邵开发了第一个实用和可扩展的海水电解系统。他们的原位净化系统使用液相-气-液相相变,直接在电化学电池内从海水中产生纯水,这一过程由后续电解驱动。

多孔的聚四氟乙烯薄膜将海水从电池内部分离出来,高密度的氟原子创造了一个疏水屏障,不透水及其杂质,但透水的水蒸气。另一方面,浓缩的氢氧化钾溶液围绕电极,并为水蒸气迁移提供驱动力。“氢氧化钾电解质的浓度高于海水中的盐浓度,”解释道亚历山大·考恩他是英国利物浦大学的可持续燃料研究员。“由此产生的水蒸气压差(盐梯度的结果)导致海水一侧的水通过膜进入氢氧化钾溶液。”

计划

来源:©谢和平等/施普林格Nature Limited 2022

聚四氟乙烯薄膜是防水的,但透气,所以允许水蒸气进入电池,在那里它被分解成氢和氧

如果隔离,这个系统最终会达到平衡,当膜两侧的浓度相等时,水的迁移就会停止。然而,电解反应对纯化水的消耗提供了持续的驱动力,并维持了膜上的浓度梯度。通过改变水迁移或电解的速度,该系统可以有效地自我调节,并确保纯净水的使用速度与生产速度一样快。“它实际上可以被认为是一个动态平衡系统,”谢解释说。“如果初始电解速率高于水迁移速率,电解液浓度就会增加,导致水蒸气压差增加,因此,水迁移速率也会增加。”

在实验室试验取得成功后,研究小组渴望大规模展示这种方法的实用性,并在深圳湾安装了一个演示装置。这个紧凑的装置进行了133天的初始测试,生产了超过100万升的氢气,没有任何明显的催化剂腐蚀或杂质增加。考恩说:“这很好地证明了长时间直接进行海水电解的技术可行性,而且没有任何明显的活性损失。”“一个挑战将是开发一种能够显著降低操作电位的设备,以使其与更传统的膜电解槽相媲美。”

山东师范大学电催化研究人员孙旭平说,它解决了该领域长期存在的技术瓶颈。但它仍需要进一步发展。为了使海水电解系统更适用于工业应用,需要更高的电流密度。谢和邵渴望将这种装置用于工业用途,目前他们正在研究降低能耗和提高催化剂性能的方法。邵说,这项技术潜力巨大。他说,我们希望人们可以将这种液-气-液相变机理应用于其他燃料生产和资源回收领域。