Generování zeleného vodíku: Mezioborová výzva zakořeněná v elektrochemii

Zelený vodík, vyráběný elektrolýzou vody za použití obnovitelných zdrojů energie, je zkoumán jako strategie ke snížení závislosti na fosilních palivech a dekarbonizaci chemických procesů. Z hlediska životního prostředí je tento přístup mimořádně atraktivní vzhledem k tomu, že při elektrolýze se používají mírné podmínky a při použití vodíku v palivovém článku nevznikají žádné skleníkové plyny.

Ekonomika elektrolýzy a systémů palivových článků pro přeměnu energie však do značné míry závisí na nákladech na elektřinu a kovy, jako je nikl, platina, iridium a titan. Provozní náklady elektrolyzéru musí být minimalizovány, aby se zelený vodík stal ekonomicky životaschopnou možností. Příkon elektřiny se významně podílí na nákladech. Snížení ceny obnovitelné energie je tedy nezbytným krokem. Stále efektivnější a dostupnější solární panely v posledních desetiletích jsou důvodem k optimismu v tomto ohledu [1], ale pro zvýšení úspěchu zeleného vodíku lze udělat mnohem více. Efektivnější elektrolyzéry by mohly lépe využívat vstupní elektřinu a vývoj levnějších a odolnějších komponent může snížit investiční i provozní náklady.

Podívejte se na naše další články na blogu o zeleném vodíku a dekarbonizaci chemických procesů níže!

Zelený vodík, palivo budoucnosti: Použití potenciostatů k vývoji nových katalyzátorů pro výrobu vodíku

Dekarbonizace chemických procesů pomocí Thor

Mezioborový zájem o zelený vodík

Elektrolyzéry jsou primárně elektrochemická zařízení s elektrokatalyzátory odpovědnými za štěpení vody (Obrázek 1). Vědecké výzvy související s optimalizací elektrolyzérů přitahují pozornost výzkumníků, kteří nejsou tradičně vyškoleni v elektrochemii. Hledání účinných elektrokatalyzátorů HER (Hydrogen Evolution Reaction) a OER (Oxygen Evolution Reaction) také vzbuzuje zájem anorganických chemiků a fyziků. Vývoj lepších membrán vyžaduje odborné znalosti v organické a polymerní chemii. Optimalizace katalytických inkoustů a jejich interakce se substráty vyžaduje know-how materiálového vědce. Řízení toku tepla a hmoty v soustavě palivových článků a bilance závodu jsou technickými snahami. Je zřejmé, že pokračující vývoj technologií zeleného vodíku povzbudil spolupráci vědců a inženýrů napříč mnoha obory. Výsledkem je příliv kreativity a vhledu, stejně jako vývoj nových vzrušujících materiálů a technik.

Zpět k základům

Práce v neznámé oblasti znamená, že je potřeba rychle se seznámit s osvědčenými postupy a naučit se novou vědeckou slovní zásobu. Pro mnoho institucí nebylo vzdělávání o elektrochemických principech a laboratorních dovednostech až do posledních let klíčovou oblastí zájmu.

V některých případech vedl nedostatek základního elektrochemického školení k nejednotnosti ve vykazování důležitých výkonnostních ukazatelů. Elektrochemická komunita to vzala na vědomí a vyzvala k důslednějšímu přístupu. V důsledku toho odborníci přistoupili a poskytli praktický návod pro kvantifikaci a vykazování v této doméně.

Při zkoumání elektrokatalyzátorových materiálů je nutné mít měřítka a dobře definované výkonnostní ukazatele. V roce 2013 byl zveřejněn komplexní srovnávací protokol pro hodnocení a vykazování hodnot pro elektrokatalyzátory OER.

Tento článek JACS [2] poskytuje praktické rady, jak interpretovat povrch katalyzátoru z hlediska drsnosti a geometrického povrchu a jak provádět a analyzovat měření pro platná srovnání elektrokatalytického výkonu.

Srovnávání heterogenních elektrokatalyzátorů pro kyslíkové elektrokatalyzátory pro reakci evoluce kyslíku (JACS, 2013)

Častým zdrojem zmatků a nejednotnosti v elektrochemických měřeních je použití různých referenční elektrody (RE). Elektrokatalytická aktivita se posuzuje podle nadměrného potenciálu potřebného pro specifikovanou rychlost produkce (tj. proudová hustota pro proces HER nebo OER, Obrázek 1). K měření potenciálu je zapotřebí tříelektrodové nastavení a RE je rozhodující pro umístění tohoto potenciálu v relativním měřítku, což umožňuje srovnání měření prováděných různými skupinami a v různých podmínkách.

Zjistěte více o referenčních elektrodách a jejich použití v naší bezplatné aplikační poznámce.

Referenční elektrody a jejich použití

Článek z pohledu 2020 v ACS Energy Letters [3] poskytuje podrobné vysvětlení, jak hlásit nadměrný potenciál elektrokatalyzátoru, se zaměřením na běžně používané referenční elektrody jako Hg/HgO, Hg/Hg₂Cl₂ (SCE) a Ag/AgCl.

Jak spolehlivě nahlásit nadměrný potenciál elektrokatalyzátoru (ACS, 2020)

Reverzibilní vodíková elektroda (RHE) je další běžně používaná RE, která je mimořádně vhodná pro studie HER a OER. Nedávný Článek o katalýze ACS [4] vysvětluje, proč je RHE ideální referenční elektroda pro výzkum elektrolýzy a vysvětluje, jak připravit a pracovat s RHE. Podle konvence se uvádějí všechny standardní redoxní potenciály oproti standardní vodíkové elektrodě (SHE). RHE je prodloužení SHE závislé na pH a týká se redukce protonu za nestandardních podmínek, jak je popsáno Nernstovou rovnicí.

Standardní a reverzibilní vodíkové elektrody: teorie, návrh, provoz a aplikace (ACS, 2020)

Elektrolyzéry pracují v kyselých i alkalických podmínkách, takže HER a OER jsou studovány napříč stupnicí pH (Obrázek 1). RHE je vhodný pro použití při jakémkoli pH a sdílí stejnou závislost na pH jako HER a OER.

Společný základ, na kterém stojí

Nalezení společného jazyka a porozumění mezi těmito různými oblastmi je životně důležité. Tento Souhrnný článek JOC [5] objasňuje elektrochemické pojmy pro organické chemiky. Článek je vysoce vizuální a poskytuje schémata, která spojují pojmy jako volná energie, redoxní potenciál a nadměrný potenciál. Rovnovážná termodynamika pomáhá poskytnout společný referenční bod, ke kterému se mohou všichni chemici vztahovat.

„Jak mám přemýšlet o napětí? Co je nadměrný potenciál?": Vytvoření intuice organické chemie pro elektrochemii (JOC, 2021)

Ke kvantifikaci se často používá termodynamická analýza energetická účinnost elektrolytických článků a zásobníků. Nedávný recenzní článek v Journal of Power Sources [6] zdůrazňuje odlišné definice koeficientu energetické účinnosti z akademické a průmyslové literatury. Článek poskytuje derivace v různých podmínkách a připomíná čtenářům, že jak elektřina a teplo musí být v analýze zohledněno.

Kritický přehled definice používané k výpočtu koeficientů energetické účinnosti článků elektrolýzy vody pracujících za podmínek blízkých okolní teplotě. (J. Zdroje energie, 2020)

Souhrn

Články zvýrazněné v tomto příspěvku na blogu představují jen malý zlomek z mnoha dostupných zdrojů pro vybudování společného porozumění a lepší spolupráce mezi všemi výzkumníky pracujícími na zlepšování technologií zeleného vodíku. Když pandemie COVID ukončila laboratorní práci a cestování mnoha lidí, výzkumná komunita pokračovala s nadšením.

Online semináře a pracovní skupiny konané otevřeně a bez nákladů spojily vědce napříč obory a z celého světa. Například, Elektrochemické online kolokvium byla zahájena v roce 2021. Tato pokračující série přednášek se zabývá základními tématy v elektrochemii tím, že poskytuje vzdělávací obsah spolu s osobním pohledem odborných řečníků.

Elektrochemické online kolokvium

Vaše znalosti

AN-EC-027: Měření potenciálu na protielektrodě pomocí VIONIC powered by INTELLO – Případová studie platinového redoxu v kyselých médiích

AN-EC-003: Ohmic Drop Část 1 – Základní principy

AN-EC-004: Ohmic Drop Část 2 – Měření

AN-EC-007: Rozdíly mezi digitálním skenováním, analogovým skenováním a integrací signálu

Reference

1. Snížení nákladů na zelený vodík: Rozšíření elektrolyzérů za účelem splnění klimatického cíle 1,5 °C; Mezinárodní agentura pro obnovitelnou energii: Abu Dhabi, 2020.
2. McCrory, C. C. L.; Jung, S.; Peters, J. C.; a kol. Srovnávání heterogenních elektrokatalyzátorů pro reakci evoluce kyslíku. J. Dopoledne. Chem. Soc. 2013, 135 (45), 16977–16987. doi:10.1021/ja407115p
3. Niu, S.; Li, S.; Du, Y.; a kol. Jak spolehlivě nahlásit nadměrný potenciál elektrokatalyzátoru. ACS Energy Lett. 2020, 5 (4), 1083–1087. doi:10.1021/acsenergylett.0c00321
4. Jerkiewicz, G. Standardní a reverzibilní vodíkové elektrody: Teorie, konstrukce, provoz a aplikace. ACS Catal. 2020, 10 (15), 8409–8417. doi:10.1021/acscatal.0c02046
5. Nutting, J. E.; Gerken, J. B.; Stamoulis, A. G.; a kol. „Jak bych měl přemýšlet o napětí? Co je nadměrný potenciál?": Vytvoření intuice organické chemie pro elektrochemii. J. Org. Chem. 2021, 86 (22), 15875–15885. doi:10.1021/acs.joc.1c01520
6. Lamy, C.; Proso, P. Kritický přehled definic používaných k výpočtu koeficientů energetické účinnosti článků elektrolýzy vody pracujících za podmínek blízkých okolní teplotě. J. Zdroje energie 2020, 447, 227350. doi:10.1016/j.jpowsour.2019.227350