Štěpení vody - Water splitting - Wikipedia

Schéma chemická rovnice z elektrolýza vody, forma štěpení vody.

Štěpení vody je chemická reakce ve kterém voda je rozdělen na kyslík a vodík:

2 H2O → 2 H2 + O.2

Efektivní a ekonomické fotochemické štěpení vody by bylo technologickým průlomem, který by mohl podpořit vodíkové hospodářství. Nebyla prokázána žádná průmyslově praktická verze štěpení vody čistou vodou, ale dvousložkové reakce (H2 výroba a O2 výroba) jsou dobře známé. Rozštěpení vody mořská voda a další slaná voda se průmyslově používá k výrobě chlór a shromážděný odpadní vodík však tvoří asi pět procent světové dodávky. Verze štěpení vody se vyskytuje v fotosyntéza, ale vodík se nevyrábí. Zadní strana štěpení vody je základem vodíkový palivový článek.

Elektrolýza

Hlavní článek: Elektrolýza vody
Přední elektrolyzér s elektrickým panelem v popředí

Elektrolýza vody je rozklad voda (H2O) do kyslík (Ó2) a vodík (H2) kvůli elektrický proud prochází vodou.[1]

Atmosférická elektřina využití pro chemickou reakci, při které se voda rozdělí na kyslík a vodík. (Obrázek prostřednictvím: Vion, americký patent 28793. Červen 1860.)
  • Vion, US patent 28 793„Vylepšená metoda využívání atmosférické elektřiny“, červen 1860.

v energie na plyn výrobních schémat se přebytečný výkon nebo mimo špičkový výkon vytvořený větrnými generátory nebo solárními poli používá k vyrovnání zátěže energetické sítě ukládáním a následným vstřikováním vodíku do sítě zemního plynu.

Elektrolýza vodní lodi Vodíkový Challenger

Výroba vodíku z vody je energeticky náročná. Potenciální dodávky elektrické energie zahrnují vodní energii, větrné turbíny nebo fotovoltaické články. Obvykle je spotřebovaná elektřina cennější než vyrobený vodík, takže tato metoda nebyla široce používána. Na rozdíl od nízkoteplotní elektrolýzy vysokoteplotní elektrolýza (HTE) vody převádí více z původní teplo energie na chemickou energii (vodík), potenciálně se zdvojnásobí účinnost na asi 50%. Protože část energie v HTE je dodávána ve formě tepla, musí se méně energie převést dvakrát (z tepla na elektřinu a poté na chemickou formu), a tak je proces účinnější.

Štěpení vody ve fotosyntéze

Verze štěpení vody se vyskytuje v fotosyntéza, ale elektrony jsou posunuty, nikoli k protonům, ale k elektronovému transportnímu řetězci dovnitř fotosystém II. Elektrony se používají k přeměně oxidu uhličitého na cukry.

Když je fotosystém I foto-vzrušený, zahájí se reakce přenosu elektronů, což má za následek snížení řady akceptorů elektronů, případně snížení NADP+ na NADPH a PS I se oxiduje. Oxidovaný fotosystém I zachycuje elektrony z fotosystému II prostřednictvím řady kroků zahrnujících látky jako plastochinon, cytochromy a plastocyanin. Fotosystém II poté způsobí oxidaci vody vedoucí k vývoji kyslíku, přičemž reakce je katalyzována CaMn4Ó5 shluky vložené do komplexního proteinového prostředí; komplex je známý jako komplex vyvíjející kyslík (OEC).[2][3]

An řasový bioreaktor pro výrobu vodíku.

v biologická výroba vodíku, elektrony produkované fotosystémem nejsou posunuty do aparátu chemické syntézy, ale do hydrogenázy, což vede k tvorbě H2. Tento biohydrogen se vyrábí v a bioreaktor.[4]

Fotoelektrochemické štěpení vody

Hlavní články: fotoelektrochemická buňka a umělá fotosyntéza

Využívání elektřiny vyrobené fotovoltaické systémy potenciálně nabízejí nejčistší způsob výroby vodíku, kromě jaderného, ​​větrného, ​​geotermálního a hydroelektrického. Voda se opět rozkládá na vodík a kyslík elektrolýzou, ale elektrická energie se získává a fotoelektrochemická buňka (PEC) proces. Systém je také pojmenován umělá fotosyntéza.[5][6][7][8]

Štěpení fotokatalytické vody

Hlavní článek: Štěpení fotokatalytické vody

Jedním z nejzajímavějších způsobů je přeměna sluneční energie na vodík pomocí procesu štěpení vody[Citace je zapotřebí ] dosáhnout čisté a obnovitelné energie. Tento proces může být efektivnější, pokud je podporován fotokatalyzátory suspendovanými přímo ve vodě, spíše než fotovoltaickým nebo elektrolytickým systémem, takže reakce probíhá v jednom kroku.[9][10]

Radiolýza

Hlavní článek: Radiolýza § Výroba vodíku

Jaderné záření běžně rozbíjí vodní vazby v Mponeng Zlatý důl, Jižní Afrika, našli vědci v a přirozeně vysoká radiační zóna, komunita, v níž dominuje nová fylotyp z Desulfotomaculum, krmení primárně radiolyticky vyrobeno H2.[11] Vyhořelé jaderné palivo / „jaderný odpad“ je rovněž považován za potenciální zdroj vodíku.

Nanogalvanický prášek ze slitiny hliníku

Hlavní článek: Nanogalvanické slitiny na bázi hliníku

Prášek z hliníkové slitiny vynalezený Výzkumná laboratoř americké armády v roce 2017 bylo prokázáno, že je schopné produkovat plynný vodík při kontaktu s vodou nebo jakoukoli kapalinou obsahující vodu díky své jedinečné galvanické mikrostruktuře v nanoměřítku. Údajně generuje vodík na 100 procent teoretického výtěžku bez potřeby jakýchkoli katalyzátorů, chemikálií nebo externě dodávané energie.[12][13]

Nano-galvanický prášek na bázi hliníku vyvinutý společností Výzkumná laboratoř americké armády

Tepelný rozklad vody

Hlavní článek: Termochemický cyklus

v termolýza, molekuly vody se rozpadly na své atomové složky vodík a kyslík. Například při 2200 ° C asi tři procenta všech H2O jsou disociovány na různé kombinace atomů vodíku a kyslíku, většinou H, H2, O, O2a OH. Další reakční produkty jako H2Ó2 nebo HO2 zůstávají nezletilí. Při velmi vysoké teplotě 3000 ° C se rozloží více než polovina molekul vody, ale při okolní teplotě se pouze jedna molekula ve 100 bilionech účinkem tepla disociuje.[14] Vysoké teploty a materiální omezení omezily použití tohoto přístupu.

Jaderně-termální

Viz také: NGNP

Jedna vedlejší výhoda jaderného reaktoru, který vyrábí oba elektřina a vodík spočívá v tom, že může přesouvat produkci mezi těmito dvěma látkami. Například elektrárna může vyrábět elektřinu během dne a vodík v noci, přičemž přizpůsobuje svůj profil výroby elektřiny dennímu kolísání poptávky. Pokud lze vodík vyrábět ekonomicky, tento systém by příznivě konkuroval tomu stávajícímu skladování energie v síti schémata. Navíc existuje dostatečná poptávka po vodíku Spojené státy že by takové rostliny mohly zvládnout veškeré denní generování špiček.[15]

Hybridní termoelektrický Cyklus měď-chlor je kogenerace systém využívající odpadní teplo z jaderných reaktorů, konkrétně CANDU superkritický vodní reaktor.[16]

Solární termální

Vysokých teplot nezbytných pro štěpení vody lze dosáhnout použitím soustředění solární energie. Hydrosol-2 je pilotní závod o výkonu 100 kilowattů v Plataforma Solar de Almería v Španělsko který využívá sluneční světlo k získání požadovaných 800 až 1 200 ° C k dělení vody. Hydrosol II je v provozu od roku 2008. Návrh tohoto pilotního závodu o výkonu 100 kilowattů je založen na modulárním konceptu. Ve výsledku je možné, že tuto technologii lze snadno rozšířit až na megawattový rozsah vynásobením dostupných reaktorových jednotek a připojením elektrárny k heliostat pole (pole zrcadel sledujících slunce) vhodné velikosti.[17]

Materiálová omezení v důsledku požadovaných vysokých teplot se snižují konstrukcí membránového reaktoru se současnou extrakcí vodíku a kyslíku, který využívá definovaný teplotní gradient a rychlou difúzi vodíku. Při koncentrovaném slunečním světle jako zdroji tepla a pouze vodě v reakční komoře jsou produkované plyny velmi čisté a jediným možným kontaminantem je voda. „Solární vodní cracker“ s koncentrátorem asi 100 m² může vyprodukovat téměř jeden kilogram vodíku za hodinu slunečního svitu.[18]

Výzkum

Hlavní článek: Štěpení fotokatalytické vody

Výzkum probíhá fotokatalýza,[19][20] zrychlení fotoreakce v přítomnosti katalyzátoru. Jeho porozumění bylo umožněno již od objevu elektrolýzy vody pomocí oxidu titaničitého. Umělá fotosyntéza je výzkumné pole, které se pokouší replikovat přirozený proces fotosyntézy a přeměňuje sluneční světlo, vodu a oxid uhličitý na sacharidy a kyslík. V poslední době se to úspěšně podařilo rozdělit vodu na vodík a kyslík pomocí umělé sloučeniny zvané Nafion.[21]

Vysokoteplotní elektrolýza (také HTE nebo parní elektrolýza ) je v současnosti zkoumaná metoda výroby vodíku z vody s kyslíkem jako vedlejším produktem. Další výzkum zahrnuje termolýza na vadném uhlík substráty, což umožňuje výrobu vodíku při teplotách těsně pod 1000 ° C.[22]

The cyklus oxidu železa je řada termochemické procesy zvyklé na vyrábět vodík. Cyklus oxidu železa se skládá ze dvou chemické reakce jehož čistý reaktant je voda a jejichž čisté produkty jsou vodík a kyslík. Všechny ostatní chemikálie se recyklují. Proces oxidu železa vyžaduje účinný zdroj tepla.

The cyklus síra-jod (Cyklus S-I) je řada termochemické procesy zvyklé na vyrábět vodík. Cyklus SI se skládá ze tří chemické reakce jehož čistým reaktantem je voda a jehož čistými produkty jsou vodík a kyslík. Všechny ostatní chemikálie se recyklují. Proces S-I vyžaduje účinný zdroj tepla.

Více než 352 termochemické byly popsány cykly štěpení vody nebo termolýza.,[23] Tyto cykly slibují produkci vodíkového kyslíku z vody a tepla bez použití elektřiny.[24] Jelikož veškerou vstupní energií pro tyto procesy je teplo, mohou být účinnější než vysokoteplotní elektrolýza. Důvodem je, že účinnost výroby elektřiny je ze své podstaty omezená. Termochemická výroba vodíku pomocí chemické energie z uhlí nebo zemního plynu se obecně neuvažuje, protože přímá chemická cesta je účinnější.

U všech termochemických procesů je souhrnnou reakcí rozklad vody:

Všechna ostatní činidla se recyklují. Žádný z procesů výroby termochemického vodíku nebyl prokázán na úrovni výroby, i když některé byly prokázány v laboratořích.

Existuje také výzkum životaschopnosti nanočástic a katalyzátorů ke snížení teploty, při které se voda štěpí.[25][26]

Nedávno Metal-Organic Framework Ukázalo se, že materiály na bázi (MOF) jsou velmi slibným kandidátem na štěpení vody levnými přechodnými kovy první řady .;[27][28]

Výzkum se soustřeďuje na následující cykly:[24]

Termochemický cyklusLHV ÚčinnostTeplota (° C / F)
Cyklus oxidu ceričitého a oxidu ceričitého (Výkonný ředitel2/ Ce2Ó3)? %2 000 ° C (3 630 ° F)
Hybridní cyklus síry (HyS)43%900 ° C (1650 ° F)
Cyklus sírného jódu (Cyklus S-I)38%900 ° C (1650 ° F)
Cyklus síranu kademnatého46%1 000 ° C (1 830 ° F)
Cyklus síranu barnatého39%1 000 ° C (1 830 ° F)
Cyklus síranu manganatého35%1100 ° C (2010 ° F)
Cyklus zinku a oxidu zinečnatého (Zn / ZnO)44%1900 ° C (3450 ° F)
Hybridní kadmiový cyklus42%1600 ° C (2910 ° F)
Cyklus uhličitanu kademnatého43%1600 ° C (2910 ° F)
Cyklus oxidu železa ()42%2200 ° C (3990 ° F)
Cyklus sodíku a manganu49%1560 ° C (2840 ° F)
Cyklus nikl-mangan-ferit43%1800 ° C (3270 ° F)
Cyklus ferit zinku a manganu43%1800 ° C (3270 ° F)
Cyklus měď-chlor (Cu-Cl)41%550 ° C (1022 ° F)

Viz také

Reference

  1. ^ Hauch, Anne; Ebbesen, Sune Dalgaard; Jensen, Søren Højgaard; Mogensen, Mogens (2008). "Vysoce účinná vysokoteplotní elektrolýza". Journal of Materials Chemistry. 18 (20): 2331. doi:10.1039 / b718822f.
  2. ^ Yano, J .; Kern, J .; Sauer, K .; Latimer, M. J .; Pushkar, Y .; Biesiadka, J .; Loll, B .; Saenger, W .; Messinger, J .; Zouni, A .; Yachandra, V. K., Kde se voda oxiduje na dioxygen: Struktura fotosyntetického klastru Mn (4) Ca. Science 2006, 314, 821-825.
  3. ^ Barber, J., Krystalová struktura komplexu fotosystému vyvíjejícího se kyslík II. Anorganic Chemistry 2008, 47, 1700-1710.
  4. ^ Zpráva DOE 2008 25%
  5. ^ Elektroda osvětluje cestu k umělé fotosyntéze
  6. ^ Průlom solární energie: Vědci našli levný a snadný způsob skladování energie vyrobené solární energií
  7. ^ http://swegene.com/pechouse-a-proposed-cell-solar-hydrogen.html
  8. ^ del Valle, F .; Ishikawa, A .; Domen, K .; Villoria De La Mano, J.A .; Sánchez-Sánchez, M.C .; González, I.D .; Herreras, S .; Mota, N .; Rivas, M.E. (květen 2009). "Vliv koncentrace Zn na aktivitu pevných roztoků Cd1-xZnxS pro štěpení vody ve viditelném světle". Katalýza dnes. 143 (1–2): 51–59. doi:10.1016 / j.cattod.2008.09.024.
  9. ^ del Valle, F .; et al. (Červen 2009). „Rozštěpení vody na polovodičových katalyzátorech při ozáření viditelným světlem“. ChemSusChem. 2 (6): 471–485. doi:10.1002 / cssc.200900018. PMID  19536754.
  10. ^ del Valle, F .; et al. (2009). Štěpení fotokatalytické vody pod viditelným světlem: požadavky na koncepci a materiály. Pokroky v chemickém inženýrství. 36. 111–143. doi:10.1016 / S0065-2377 (09) 00404-9. ISBN  9780123747631.
  11. ^ Li-Hung Lin; Pei-Ling Wang; Douglas Rumble; Johanna Lippmann-Pipke; Erik Boice; Lisa M. Pratt; Barbara Sherwood Lollar; Eoin L. Brodie; Terry C. Hazen; Gary L. Andersen; Todd Z. DeSantis; Duane P. Moser; Dave Kershaw & T. C. Onstott (2006). „Dlouhodobá udržitelnost vysokoenergetického krému Biome s nízkou rozmanitostí“. Věda. 314 (5798): 479–82. Bibcode:2006Sci ... 314..479L. doi:10.1126 / science.1127376. PMID  17053150. S2CID  22420345.
  12. ^ „Nanogalvanické slitiny na bázi hliníku pro výrobu vodíku“. US Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory. Citováno 6. ledna 2020.
  13. ^ McNally, David (25. července 2017). „Objev armády může nabídnout nový zdroj energie“. americká armáda. Citováno 6. ledna 2020.
  14. ^ E. Funk, J. (2001). "Termochemická výroba vodíku: minulost a současnost". International Journal of Hydrogen Energy. 26 (3): 185–190. doi:10.1016 / S0360-3199 (00) 00062-8.
  15. ^ „Archivovaná kopie“ (PDF). Archivovány od originál (PDF) dne 2007-09-27. Citováno 2010-03-03.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)
  16. ^ Naterer, G. F .; et al. (2009). „Nedávné kanadské pokroky v produkci vodíku na jaderné bázi a v termochemickém cyklu Cu-Cl“. International Journal of Hydrogen Energy. 34 (7): 2901–2917. doi:10.1016 / j.ijhydene.2009.01.090.
  17. ^ „DLR portál“.
  18. ^ http://h2powersystems.com. Chybějící nebo prázdný | název = (Pomoc)
  19. ^ Strategie pro vývoj fotokatalyzátorů poháněných viditelným světlem pro štěpení vody Akihiko Kudo, Hideki Kato1 a Issei Tsuji Chemistry Letters Vol. 33 (2004), č. 12, str. 1534
  20. ^ Chu, Sheng; Li, Wei; Hamann, Thomas; Shih, Ishiang; Wang, Dunwei; Mi, Zetian (2017). „Plán rozdělení solární vody: současný stav a vyhlídky do budoucna“. Nano Futures. 1 (2): 022001. Bibcode:2017NanoF ... 1b2001C. doi:10.1088 / 2399-1984 / aa88a1. S2CID  3903962.
  21. ^ „Tým Monash se učí od přírody dělit se o vodu“.
  22. ^ Kostov, M. K .; Santiso, E.E .; George, A. M .; Gubbins, K.E. & Nardelli, M. Buongiorno (2005). „Disociace vody na vadných uhlíkových substrátech“ (PDF ). Dopisy o fyzické kontrole. 95 (13): 136105. Bibcode:2005PhRvL..95m6105K. doi:10.1103 / PhysRevLett.95.136105. PMID  16197155. Citováno 2007-11-05.
  23. ^ 353 termochemických cyklů
  24. ^ A b Rozvoj solární termochemické výroby vodíku z vody
  25. ^ Naoptek
  26. ^ „Obrovský skok“ pro čistou energii: Průlom ve výrobě vodíku z MIT “.
  27. ^ Das; et al. (2013). „Trvalá oxidace vody katalyzátorovou klecí izolovanou v kovově-organickém rámci“. Angewandte Chemie International Edition. 52 (28): 7224–7227. CiteSeerX  10.1.1.359.7383. doi:10,1002 / anie.201301327. PMID  23729244.
  28. ^ Hansen; Das (2014). "Text". Energetika a věda o životním prostředí. 7 (1): 317–322. doi:10.1039 / C3EE43040E.

externí odkazy