Người yêu mới của Hydrogen Energy: Hợp kim sắt-niken bọt định hình lại máy điện phân sản xuất hydro như thế nào

1. Kỷ nguyên mới của Hydro

Kể từ khi được phát hiện vào thế kỷ 16, hydro đã được coi là nguồn năng lượng sạch quan trọng do tính dồi dào, mật độ năng lượng cao và đặc tính xanh, ít carbon.

Hiện nay, các quy trình sản xuất hydro được phân loại theo lượng khí thải carbon thành hydro xám, hydro xanh lam và hydro xanh lục. Trong số này, hydro xanh, được sản xuất bằng cách điện phân nước sử dụng năng lượng tái tạo, không thải ra khí nhà kính hoặc các chất có hại và có độ tinh khiết cao. Đây là phương pháp sản xuất hydro sạch nhất và đại diện cho hướng đi chính trong tương lai cho năng lượng hydro.

Hydro xanh chủ yếu thu được thông quađiện phân nước, nơi một máy điện phân tách nước thành hydro và oxy. Hiện tại có bốn công nghệ điện phân chính: ALK (điện phân nước kiềm), PEM (điện phân màng trao đổi proton), SOEC (ô điện phân oxit rắn) và AEM (polyme rắn)TRONGtrên điện phân màng trao đổi).

Trong bối cảnh trung hòa carbon toàn cầu, hydro xanh chắc chắn đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong quá trình chuyển đổi năng lượng. Khả năng của công nghệ điện phân trong việc giảm chi phí hơn nữa và nâng cao hiệu quả là rất quan trọng đối với thành công trong tương lai của nó trong lĩnh vực quan trọng này.

2. Trụ cột: Máy điện phân kiềm

ALK (điện phân nước kiềm) để sản xuất hydro diễn ra trong môi trường điện phân kiềm, thường sử dụng dung dịch KOH hoặc NaOH. Ưu điểm lớn nhất của công nghệ điện phân này là cả tấm anode và catode đều không chứa các chất quýKim loạis, dẫn đến chi phí điện phân thấp nhất. Hơn nữa, loại điện phân này là loại điện phân trưởng thành nhất về mặt thương mại, có kinh nghiệm vận hành rộng rãi và thống lĩnh thị trường. Các chỉ số hiệu suất chính của một số thiết bị quan trọng trong nước đã đạt đến trình độ tiên tiến quốc tế, cung cấp sản lượng hydro quy mô lớn trên mỗi cell, giúp chúng dễ dàng thích ứng với điện phân chạy bằng lưới điện.

Máy điện phân kiềm chủ yếu bao gồm các thành phần như tấm cuối, miếng đệm, tấm lưỡng cực,Điện cựctấm và màng ngăn. Máy điện phân bao gồm hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm ô điện phân, được ép lại với nhau bằng vít và tấm cuối để tạo thành hình trụ hoặc hình vuông. Mỗi ô điện phân, được phân định bằng hai tấm liền kề, bao gồm sáu phần: tấm lưỡng cực dương và âm, điện cực anot, màng ngăn, miếng đệm kín và điện cực catot.

Quan trọng là, điện cực của máy điện phân kiềm là nơi xảy ra các phản ứng điện hóa và là chìa khóa để xác định hiệu suất sản xuất hydro của máy điện phân. Hầu hết các điện cực được sử dụng trong các máy điện phân kiềm gia dụng lớn đều có gốc niken, chẳng hạn như lưới niken nguyên chất, niken bọt hoặc lưới niken nguyên chất/chất nền niken bọt được phủ chất xúc tác có hoạt tính cao. Trong số này, niken bọt là sản phẩm không đắt và đã hoàn thiện. Vật liệu điện cực của nó chứa nhiều lỗ nhỏ, tạo ra diện tích bề mặt rộng lớn. Điều này làm tăng đáng kể diện tích tiếp xúc giữa dung dịch và điện cực, rút ​​ngắn khoảng cách truyền khối và cải thiện đáng kể hiệu suất phản ứng điện phân.

Vật liệu hợp kim sắt-niken xốpvượt trội hơn vật liệu gốc niken truyền thống, cung cấp nhiều vị trí giải phóng oxy hoạt động hơn và hiệu suất xúc tác của nó cao hơn đáng kể. Đây là "cú đánh" để điện phân nước kiềm tiếp tục đột phá và tiến bộ. Theo các thử nghiệm có thẩm quyền, trong điều kiện làm việc thực tế, hiệu quả điện phân nước kiềm sử dụng bọt sắt-niken vượt trội hơn lưới niken truyền thống. Dựa trên nghiên cứu tiên tiến trong nước và quốc tế hiện tại, mức tiêu thụ năng lượng DC có thể thấp tới 4,0-4,3 KWH/mét khối tiêu chuẩn, với hiệu suất năng lượng đạt 80-85%.

3. Sự ra đời của máy điện phân AEM

Điện phân nước bằng màng trao đổi anion polyme rắn (AEM) là một quy trình sản xuất hydro sử dụng màng trao đổi anion giá rẻ làm chất tách, dung dịch kiềm nồng độ thấp hoặc nước tinh khiết làm chất điện phân và chất xúc tác là kim loại không quý cho phản ứng.

Trong máy điện phân AEM, cực dương thường bao gồm các oxit kim loại chuyển tiếp (ví dụ: oxit niken, oxit coban), trong khi cực âm thường được làm bằng kim loại quý hoặc hợp kim của chúng, chẳng hạn như niken, bạch kim hoặc palađi.

Phản ứng ở anot là: 4OH−−4e−→O2​↑+2H2​O Phản ứng ở catot là: 2H2​O+2e−→H2​↑+2OH−

4OH− được đề cập ở đây là các anion được nhấn mạnh trong quá trình này. Dưới tác động của màng trao đổi anion, OH− được tạo ra ở catốt có thể di chuyển đến anot, làm tăng nồng độ OH− ở phía anot, dẫn đến tạo ra nhiều oxy và nước hơn ở anot. Điều này tự nhiên để lại sản phẩm hydro tinh khiết hơn ở catốt.

Vai trò chính của vật liệu catốt và anot là xúc tác phản ứng phân tách nước và tạo ra hydro và oxy hiệu quả. Do đó, cả vật liệu catốt và anot đều phải có hoạt tính xúc tác mạnh và độ xốp. Để phản ứng điện cực diễn ra suôn sẻ, vật liệu catốt và anot cũng phải có độ dẫn điện anion và electron cao.

Hiện nay, vật liệu catốt được sử dụng rộng rãi nhất là hợp kim niken, và vật liệu anot chủ yếu là hợp kim niken-sắt. Sắt và niken không chỉ thể hiện hoạt tính xúc tác mạnh để phân tách nước mà còn có sẵn rộng rãi và giá thành thấp. Vì AEM không hoạt động trong môi trường ăn mòn cao nên nó không yêu cầu chất xúc tác kim loại quý như iridi hoặc titan trong vật liệu anot và catot. Điều này làm giảm đáng kể chi phí sản xuất thiết bị AEM và hiệu suất của nó không thua kém công nghệ PEM, khiến nó trở thành hướng đi chính cho các máy điện phân hydro mới được phát triển trên toàn thế giới.

4. Cưỡi trên con sóng: Sự trỗi dậy củaBọt Sắt-Niken

Cho dù là công nghệ ALK (điện phân kiềm) chính thống hiện nay hay công nghệ AEM mới nổi, bọt sắt-niken đều mang lại những lợi thế ứng dụng độc đáo và triển vọng rộng lớn.

Đặc điểm vật liệu: Thiết kế lưới 3D mang tính cách mạng

• Diện tích bề mặt riêng cực cao:Với kích thước lỗ chân lông từ 20-450 μm và độ xốp ≥98%, diện tích bề mặt hoạt động của nó lớn hơn hàng trăm lần so với điện cực phẳng. Điều này làm tăng đáng kể tốc độ phản ứng, tăng đáng kể diện tích tiếp xúc giữa dung dịch và điện cực, rút ​​ngắn khoảng cách truyền khối và cải thiện đáng kể hiệu suất phản ứng điện phân.
• Xúc tác hiệu quả:Bề mặt của bọt sắt-niken được phủ chất xúc tác gốc niken và gốc sắt. Các chất xúc tác này hỗ trợ phản ứng điện phân nước, phân tách nước thành hydro và oxy.
• Hỗ trợ cấu trúc:Cấu trúc ba chiều của niken bọt cung cấp khả năng hỗ trợ tuyệt vời, giúp duy trì sự ổn định và tính toàn vẹn về mặt cấu trúc của điện cực, đảm bảo hoạt động lâu dài.
• Độ dẫn điện cao:Cả sắt và niken đều là chất dẫn điện tốt và cấu trúc ba chiều của bọt sắt-niken tạo ra diện tích bề mặt lớn, hỗ trợ phân phối dòng điện.

Ứng dụng lớp xúc tác

Hiện nay, các lớp xúc tác điện phân chủ yếu bao gồmlớp xúc tác anot (OER-CL)vàlớp xúc tác catốt (HER-CL), tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng giải phóng oxy (OER) và phản ứng giải phóng hydro (HER). Vì cả OER và HER đều thể hiện tính trơ động học, nên chất xúc tác thường được nạp vào điện cực để tăng cường hoạt động phản ứng và giảm mức tiêu thụ năng lượng. Đây là chức năng của lớp xúc tác (CL). Vì chất xúc tác gốc Ni thể hiện hoạt tính cao và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời trong môi trường kiềm và ổn định hơn các kim loại chuyển tiếp khác (như Fe, Co), nên chúng được sử dụng rộng rãi làm chất xúc tác OER và HER. Do có ái lực oxy cao, Fe có xu hướng hấp phụ các loài OH− và do đó thường được sử dụng làm chất thúc đẩy động học OER.Vật liệu hợp kim niken-sắt bọt, kết hợp các tính chất của kim loại NiFe, cho thấy những lợi thế đáng kể khi được sử dụng làm vật liệu anot để sản xuất hydro.

Ứng dụng lớp khuếch tán

Lớp khuếch tán khí (GDL) chủ yếu được sử dụng để khuếch tán khí—hydro ở catốt và oxy ở anot. Ngoài ra, do tính dẫn điện kim loại và độ dẫn nhiệt, nó cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền electron và nhiệt, do đó được gọi là lớp vận chuyển xốp (PTL). Hiện nay, niken xốp được sử dụng rộng rãi như một vật liệu lớp khuếch tán trên thị trường. Hơn nữa, sắt-niken xốp chất lượng cao, tiết kiệm chi phí hiện là lựa chọn kinh tế hơn.