عزیز جدید انرژی هیدروژن: چگونه آلیاژ فوم آهن-نیکل، الکترولیزهای تولید هیدروژن را تغییر شکل می‌دهد

۱. عصر جدید هیدروژن

از زمان کشف آن در قرن شانزدهم، هیدروژن به دلیل فراوانی، چگالی انرژی بالا و خواص سبز و کم کربن، به عنوان یک منبع انرژی پاک حیاتی در نظر گرفته شده است.

در حال حاضر، فرآیندهای تولید هیدروژن بر اساس میزان انتشار کربن به هیدروژن خاکستری، هیدروژن آبی و هیدروژن سبز طبقه‌بندی می‌شوند. در میان این موارد، هیدروژن سبز که با الکترولیز آب با استفاده از انرژی تجدیدپذیر تولید می‌شود، هیچ گاز گلخانه‌ای یا مواد مضری منتشر نمی‌کند و از خلوص بالایی برخوردار است. این روش، پاک‌ترین روش تولید هیدروژن است و مسیر اصلی آینده برای انرژی هیدروژن را نشان می‌دهد.

هیدروژن سبز در درجه اول از طریق ... به دست می‌آید.الکترولیز آبکه در آن یک الکترولیزور آب را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌کند. در حال حاضر چهار فناوری اصلی الکترولیزور وجود دارد: ALK (الکترولیز آب قلیایی)، PEM (الکترولیز غشای تبادل پروتون)، SOEC (سلول الکترولیز اکسید جامد) و AEM (پلیمر جامد)درروی الکترولیز غشای تبادلی).

در زمینه خنثی‌سازی کربن جهانی، هیدروژن سبز بدون شک به یک حوزه کلیدی در گذار انرژی تبدیل شده است. توانایی فناوری الکترولیزر در کاهش بیشتر هزینه‌ها و افزایش بهره‌وری، برای موفقیت آینده آن در این زمینه حیاتی بسیار مهم است.

۲. تکیه‌گاه اصلی: الکترولیزهای قلیایی

ALK (الکترولیز قلیایی آب) برای تولید هیدروژن در یک محیط الکترولیت قلیایی، معمولاً با استفاده از محلول‌های KOH یا NaOH، انجام می‌شود. بزرگترین مزیت این فناوری الکترولیز این است که صفحات آند و کاتد حاوی فلزات گرانبها نیستند.فلزs، که منجر به کمترین هزینه الکترولیز می‌شود. علاوه بر این، این نوع الکترولیزور از نظر تجاری بالغ‌ترین نوع است، با تجربه عملیاتی گسترده، و بر بازار تسلط دارد. شاخص‌های کلیدی عملکرد برخی از تجهیزات حیاتی داخلی به سطوح پیشرفته بین‌المللی رسیده‌اند و تولید هیدروژن در مقیاس بزرگ در هر سلول را ارائه می‌دهند، که آنها را به راحتی برای الکترولیز با تغذیه از شبکه سازگار می‌کند.

یک الکترولیز قلیایی در درجه اول از اجزایی مانند صفحات انتهایی، واشرها، صفحات دوقطبی تشکیل شده است.الکترودصفحات و دیافراگم‌ها. الکترولیزر شامل ده‌ها یا حتی صدها سلول الکترولیز است که توسط پیچ‌ها و صفحات انتهایی به هم فشرده شده‌اند تا شکلی استوانه‌ای یا مربعی ایجاد کنند. هر سلول الکترولیز که توسط دو صفحه مجاور مشخص شده است، شامل شش بخش است: صفحات دوقطبی مثبت و منفی، یک الکترود آند، یک دیافراگم، یک واشر آب‌بندی و یک الکترود کاتد.

نکته بسیار مهم این است که الکترود الکترولیز قلیایی جایی است که واکنش‌های الکتروشیمیایی در آن رخ می‌دهد و کلید تعیین راندمان تولید هیدروژن الکترولیز است. اکثر الکترودهای مورد استفاده در الکترولیزهای قلیایی خانگی بزرگ، پایه نیکل هستند، مانند شبکه نیکل خالص، فوم نیکل یا زیرلایه‌های شبکه نیکل/فوم نیکل خالص که با کاتالیزورهای بسیار فعال پوشش داده شده‌اند. در میان این موارد، فوم نیکل ارزان و یک محصول بالغ است. ماده الکترود آن با میکروحفره‌های متعدد پر شده است که سطح وسیعی را ارائه می‌دهد. این امر به طور قابل توجهی سطح تماس بین محلول و الکترود را افزایش می‌دهد، فاصله انتقال جرم را کوتاه می‌کند و راندمان واکنش الکترولیز را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد.

جنس آلیاژ آهن-نیکل فومیاز مواد سنتی مبتنی بر نیکل بهتر عمل می‌کند، مکان‌های فعال‌تری برای تکامل اکسیژن فراهم می‌کند و راندمان کاتالیزوری آن به طور قابل توجهی بالاتر است. این یک "کار بزرگ" برای الکترولیز آب قلیایی است تا بیشتر پیشرفت کند. طبق آزمایش‌های معتبر، در شرایط کاری واقعی، راندمان الکترولیز آب قلیایی با استفاده از فوم آهن-نیکل نسبت به مش نیکل سنتی برتر است. بر اساس تحقیقات پیشرفته داخلی و بین‌المللی فعلی، مصرف انرژی DC می‌تواند به 4.0-4.3 کیلووات ساعت در هر متر مکعب استاندارد برسد و راندمان انرژی به 80-85٪ برسد.

۳. ظهور الکترولیزهای AEM

الکترولیز آب با غشای تبادل آنیونی پلیمری جامد (AEM) یک فرآیند تولید هیدروژن است که از یک غشای تبادل آنیونی کم‌هزینه‌تر به عنوان جداکننده، محلول قلیایی با غلظت کم یا آب خالص به عنوان الکترولیت و کاتالیزورهای فلزات غیر قیمتی برای واکنش استفاده می‌کند.

در الکترولیزهای AEM، آند معمولاً از اکسیدهای فلزات واسطه (مثلاً اکسید نیکل، اکسید کبالت) تشکیل شده است، در حالی که کاتد عموماً از فلزات گرانبها یا آلیاژهای آنها مانند نیکل، پلاتین یا پالادیوم ساخته شده است.

واکنش در آند به صورت زیر است: 4OH−−4e−→O2​↑+2H2​O واکنش در کاتد به صورت زیر است: 2H2​O+2e−→H2​↑+2OH−

4OH− ذکر شده در اینجا، آنیون‌هایی هستند که در این فرآیند مورد توجه قرار می‌گیرند. تحت تأثیر غشای تبادل آنیون، OH− تولید شده در کاتد می‌تواند به آند مهاجرت کند و غلظت OH− را در سمت آند افزایش دهد و منجر به تولید اکسیژن و آب بیشتر در آند شود. این امر به طور طبیعی محصول هیدروژن خالص‌تری را در کاتد باقی می‌گذارد.

نقش اصلی مواد کاتد و آند، کاتالیز واکنش تجزیه آب و تولید کارآمد هیدروژن و اکسیژن است. بنابراین، هر دو ماده کاتد و آند باید فعالیت کاتالیزوری قوی و تخلخل داشته باشند. برای پیشرفت روان واکنش‌های الکترودی، مواد کاتد و آند باید رسانایی آنیون و الکترون بالایی نیز داشته باشند.

در حال حاضر، پرکاربردترین مواد کاتدی، آلیاژهای نیکل و مواد آندی عمدتاً آلیاژهای نیکل-آهن هستند. آهن و نیکل نه تنها فعالیت کاتالیزوری قوی برای تجزیه آب از خود نشان می‌دهند، بلکه به طور گسترده در دسترس و کم‌هزینه نیز هستند. از آنجایی که AEM در محیط‌های بسیار خورنده کار نمی‌کند، نیازی به کاتالیزورهای فلزات گرانبها مانند ایریدیم یا تیتانیوم در مواد آند و کاتد ندارد. این امر به طور قابل توجهی هزینه تولید تجهیزات AEM را کاهش می‌دهد و عملکرد آن از فناوری PEM پایین‌تر نیست و آن را به مسیر اصلی برای الکترولیزهای هیدروژن تازه توسعه یافته در سراسر جهان تبدیل می‌کند.

۴. سوار بر موج: ظهورفوم آهن-نیکل

چه برای ALK (الکترولیز قلیایی) که امروزه به طور گسترده استفاده می‌شود و چه برای فناوری نوظهور AEM، فوم آهن-نیکل مزایای کاربردی منحصر به فرد و چشم‌انداز گسترده‌ای را ارائه می‌دهد.

ویژگی‌های مواد: طراحی مشبک سه‌بعدی انقلابی

• سطح ویژه فوق العاده بالا:با اندازه منافذ بین 20 تا 450 میکرومتر و تخلخل ≥98٪، سطح فعال آن صدها برابر بزرگتر از الکترودهای مسطح است. این امر به طور قابل توجهی سرعت واکنش را افزایش می‌دهد، سطح تماس بین محلول و الکترود را به طرز چشمگیری افزایش می‌دهد، فاصله انتقال جرم را کوتاه می‌کند و راندمان واکنش الکترولیز را به میزان قابل توجهی بهبود می‌بخشد.
• کاتالیز مؤثرسطح فوم آهن-نیکل با کاتالیزورهای پایه نیکل و پایه آهن پوشانده شده است. این کاتالیزورها به واکنش الکترولیز آب کمک می‌کنند که در آن آب به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌شود.
• پشتیبانی سازه‌ای:ساختار سه‌بعدی فوم نیکل، پشتیبانی بسیار خوبی را فراهم می‌کند و به حفظ پایداری و یکپارچگی ساختاری الکترود کمک می‌کند و عملکرد طولانی‌مدت را تضمین می‌کند.
• رسانایی بالا:آهن و نیکل هر دو رسانای الکتریکی خوبی هستند و ساختار سه‌بعدی فوم آهن-نیکل، مساحت سطح بالایی را فراهم می‌کند و به توزیع جریان کمک می‌کند.

کاربرد لایه کاتالیزور

در حال حاضر، لایه‌های کاتالیزور الکترولیز در درجه اول شامل موارد زیر هستند:لایه کاتالیزور آند (OER-CL)ولایه کاتالیزور کاتدی (HER-CL)، که به ترتیب واکنش تکامل اکسیژن (OER) و واکنش تکامل هیدروژن (HER) را تسهیل می‌کنند. از آنجایی که هم OER و هم HER از خود بی‌اثری جنبشی نشان می‌دهند، کاتالیزورها معمولاً روی الکترودها بارگذاری می‌شوند تا فعالیت واکنش را افزایش داده و مصرف انرژی را کاهش دهند. این عملکرد لایه کاتالیزور (CL) است. از آنجا که کاتالیزورهای مبتنی بر نیکل فعالیت بالا و مقاومت عالی در برابر خوردگی در محیط‌های قلیایی نشان می‌دهند و نسبت به سایر فلزات واسطه (مانند Fe، Co) پایدارتر هستند، به طور گسترده به عنوان کاتالیزورهای OER و HER استفاده می‌شوند. Fe به دلیل میل ترکیبی بالای خود با اکسیژن، تمایل به جذب گونه‌های OH− دارد و بنابراین اغلب به عنوان یک تقویت‌کننده جنبشی OER استفاده می‌شود.جنس آلیاژ فوم نیکل-آهنکه خواص فلزات NiFe را با هم ترکیب می‌کند، هنگام استفاده به عنوان ماده آند برای تولید هیدروژن، مزایای قابل توجهی را نشان می‌دهد.

کاربرد لایه انتشار

لایه انتشار گاز (GDL) در درجه اول برای انتشار گاز استفاده می‌شود - هیدروژن در کاتد و اکسیژن در آند. علاوه بر این، به دلیل رسانایی فلزی و رسانایی حرارتی، انتقال الکترون و گرما را نیز تسهیل می‌کند، بنابراین به عنوان لایه انتقال متخلخل (PTL) شناخته می‌شود. در حال حاضر، فوم نیکل به طور گسترده به عنوان ماده لایه انتشار در بازار استفاده می‌شود. علاوه بر این، فوم آهن-نیکل با کیفیت بالا و مقرون به صرفه اکنون انتخاب اقتصادی‌تری است.