Producció d'hidrogen a partir d'aigua de mar

L'aigua de mar, que comprèn més del 95% de l'aigua de la Terra, podria convertir-se en un recurs clau en la producció sostenible de combustible d'hidrogen net amb l'ús de catalitzadors de divisió d'aigua desenvolupats per un equip dirigit per KAUST.

La divisió de l'aigua podria oferir una manera atractiva a la neutralitat de carboni, especialment quan es combina amb fonts d'energia renovables com l'energia solar i eòlica. La divisió de l'aigua implica la descomposició de l'aigua en una cèl·lula electroquímica per produir hidrogen al càtode mentre es genera oxigen a l'ànode sota tensió aplicada. No obstant això, els catalitzadors d'evolució d'hidrogen i oxigen que funcionen bé a l'aigua dolça es tornen menys efectius a l'aigua de mar a causa dels ions abundants que poden promoure reaccions no desitjades i catalitzadors de verí.

Els ions clorur altament corrosius presents a l'aigua de mar experimenten reaccions complexes que competeixen amb l'evolució d'oxigen i generen compostos nocius, com l'hipoclorit. Com que la producció d'hidrogen depèn de reaccions estables i eficients als dos elèctrodes, aquests ions són un repte important per a la divisió de l'aigua de mar.

La química explica que la formació d'hipoclorit es pot produir perquè requereix una tensió operativa més baixa per satisfer les necessitats industrials que la reacció d'evolució d'oxigen.

Una manera d'abordar aquest problema és dissenyar catalitzadors d'ànode selectius amb requisits de tensió més baixos. Un catalitzador d'ànode monocapa de níquel-iridi va mostrar un rendiment i estabilitat millorats a l'aigua de mar gràcies als efectes sinèrgics entre els seus components metàl·lics.

L'equip va idear un enfocament que proporciona electrocatalitzadors d'evolució d'hidrogen estables i d'alta eficiència per a la divisió de l'aigua de mar. Els investigadors van crear petits reactors cúbics, en els quals el catalitzador estava encastat en una carcassa protectora de sulfur de molibdè. El nucli del catalitzador consistia en un compost actiu redox basat en molibdè amb suport de carboni i presentava una estructura nanoporosa ordenada semblant a la zeolita.
Utilitzant un enfocament basat en un marc orgànic metàl·lic, els investigadors van combinar precursors de complexos metàl·lics amb l'enllaç imidazol en presència de tensioactiu per generar cubs de zinc-molibdè semblants a la zeolita. Van barrejar les estructures resultants amb tioacetamida en etanol sota reflux per formar una fase cúbica d'òxid de molibdè confinada en una fina closca de sulfur de zinc.

A continuació, van convertir químicament la fase cúbica en el compost actiu redox encapsulat en sulfur de molibdè desitjat a alta temperatura abans de gravar selectivament la capa exterior de sulfur de zinc per produir els nanoreactors.

Els nanoreactors van mostrar una alta activitat electrocatalítica i estabilitat tant en aigua dolça com en aigua de mar. "L'activitat i l'estabilitat notables s'atribueixen a la seva estructura única".

El nucli mostrava nombrosos llocs actius que augmentaven la producció d'hidrogen i la closca presentava diversos defectes dins de les seves capes, especialment forats de mida subnanomètrica que permetien que les molècules d'aigua penetressin i accedissin als llocs actius interns.

Actuant com una cota de malla, la closca també bloquejava i evitava que les sals es dipositessin als llocs actius.
L'arquitectura jeràrquica del nanoreactor aïlla l'electròlisi de les reaccions secundaris. "Semblant a una casa intel·ligent, la reacció principal es produeix a les habitacions mentre que les reaccions secundaris es produeixen al pati del darrere".

Ho creieu o no, l'aigua de mar és una excel·lent base per al combustible. Això es deu al fet que l'aigua de mar conté un còctel d'elements com l'hidrogen, l'oxigen, el sodi i altres, tots els quals són essencials perquè la vida a la Terra prosperi. La part del combustible aquí prové de l'hidrogen que es troba a l'aigua de mar. Malauradament, treure el gas d'hidrogen de la resta d'elements ha estat tot un repte, almenys fins ara.

El dispositiu fa el que equival a combustible d'aigua de mar injectant aigua de mar en un sistema d'embut que la condueix a través d'un sistema de filtració de doble membrana. Aquest sistema també utilitza electricitat per treure amb èxit l'hidrogen de l'aigua de mar, separant-lo efectivament dels altres elements que es troben als nostres oceans. Els resultats d'aquest nou estudi mostren que podria ajudar a avançar en nous esforços per produir combustibles baixos en carboni.

La gran victòria aquí va ser que el sistema no va crear un munt de subproductes nocius, que és una cosa que han vist en altres sistemes. La majoria dels sistemes actuals d'aigua a hidrogen utilitzen una membrana d'una sola capa. Tanmateix, aquesta vegada els investigadors van reunir dues capes i van mostrar una millor manera de controlar la forma en què es mouen els ions de l'aigua de mar dins de l'experiment, cosa que el va fer més eficaç.

Poder crear combustible d'hidrogen amb aigua de mar seria útil perquè és un combustible baix en carboni, que actualment s'utilitza per fer funcionar vehicles elèctrics amb piles de combustible, i fins i tot funciona com una opció d'emmagatzematge de llarga durada per a les xarxes energètiques. Els intents anteriors de fabricar gas d'hidrogen requereixen aigua dolça o dessalada i, tot i que hem vist sistemes de dessalinització d'aigua amb èxit, és molt més car i consumeix energia.
Això és perquè purificar l'aigua abans d'utilitzar-la requereix sistemes cars, així com energia i fins i tot una complexitat addicional al dispositiu, mentre que un dispositiu que pot utilitzar aigua de mar per crear combustible d'hidrogen no requeriria aquestes peces addicionals.

Produir hidrogen a partir d'aigua de mar sembla un somni fet realitat!
És abundant, gratuït i fàcil.
L'aigua de mar és una font gairebé il·limitada de matèries primeres, i aquí no hi ha ningú per facturar-la. Qualsevol pot obtenir un cubell ple de franc.
Els actors clau del sector estan obligats a enamorar-se de la idea.
El procés d'extracció d'hidrogen és fàcil. L'aigua de mar conté una gran quantitat d'hidrogen gasós dissolt. Es necessita una electròlisi senzilla per extreure-la, fins i tot ho vam fer quan era adolescents a classe de física!

Aquí és com funciona
És natural, emmagatzemable i segur
L'aigua de mar es considera una font d'energia renovable que podria ajudar a reduir la nostra dependència de l'energia fòssil. I el procés d'extracció no genera emissions de carboni.

L'hidrogen es pot emmagatzemar
L'hidrogen emmagatzemat es pot utilitzar per generar electricitat o alimentar vehicles exactament quan sigui necessari.
Compensa la intermitència d'altres energies renovables: dies plujosos o sense vent. És perfecte per a regions amb accés a grans masses d'aigua de mar però amb pocs recursos energètics convencionals.
Pot ajudar a reduir l'escalfament global, garantir la seguretat energètica i protegir el medi ambient.

Fàcil-fàcil, realment
El procés és intensiu energètic: l'extracció d'hidrogen de l'aigua de mar requereix una gran quantitat d'energia i l'eficiència global és força baixa.
La producció és cara: La construcció de la infraestructura requereix una inversió inicial molt elevada. El manteniment també és crucial, ja que el contingut de sal de l'aigua de mar pot provocar corrosió i altres problemes tècnics.
Les ubicacions són rares: aquests llocs han de tenir en compte la profunditat i la qualitat de l'aigua, així com la proximitat a les fonts d'energia. No totes les regions són adequades per a la producció d'hidrogen a partir d'aigua de mar!
I finalment, no és tan segur com podríeu pensar!

El procés allibera clor gasós.
Aquest gas es combina amb altres elements naturals i forma dioxines que contaminen l'aigua, contaminen els peixos i es transfereixen als humans i als animals més grans que mengen els peixos.

Vols alguns exemples amb què combina
Water =>àcid clorhídric, efecte tòxic agut sobre totes les formes de vida.
Hydrogen =>Clorur d'hidrogen gasós, compost altament explosiu
L'acetilè, un gas que poden produir alguns organismes marins com els bacteris i determinades espècies d'algues. Es combina en dicloroetano, un compost altament explosiu.

Èter, traces en certes espècies d'algues. Es combina en cloroacetaldehid, un compost altament tòxic i cancerígen.
Amoníac, produït habitualment per organismes marins. Es combina en cloramines, un irritant respiratori altament tòxic.
Una innovació prometedora amb potencial per revolucionar el sector de les energies netes
La producció d'hidrogen a partir de l'aigua de mar podria marcar una diferència dràstica i ajudar a abordar l'escalfament global d'una manera més sostenible.
També té el potencial de reduir la nostra dependència dels combustibles fòssils i avançar cap a un futur més net, sostenible i assequible.
Aquestes promeses fan que sigui massa fàcil passar per alt els nombrosos reptes i riscos implicats.
Aquesta és la meva súplica als principals actors econòmics i energètics: si us plau, respirem profundament, asseurem-nos i pensem-hi un moment.

Els investigadors van dir en el comunicat de premsa que treballar amb aigua de mar seria una opció més econòmica, ja que purificar l'aigua és car, consumeix molta energia i afegeix complexitat als dispositius. A més, l'aigua dolça natural conté impureses que són problemàtiques per a la tecnologia moderna, a més de ser un recurs limitat al planeta.
A més de desenvolupar un sistema de membrana d'aigua de mar a hidrogen, l'equip va assenyalar que l'estudi havia proporcionat una millor comprensió general de com es mouen els ions d'aigua de mar a través de les membranes. Aquest coneixement es podria aplicar a altres camps, com la producció d'oxigen gasós.
A més, van dir que la comprensió del flux d'ions i la conversió al sistema de membrana bipolar és essencial per a l'esforç de produir oxigen mitjançant electròlisi, i l'equip va demostrar que la membrana bipolar podria generar gas oxigen juntament amb la producció d'hidrogen en el seu experiment.
L'equip pretén millorar els elèctrodes i les membranes utilitzant materials més fàcilment disponibles i d'extracció fàcil. Aquesta millora en el disseny podria fer que l'escalat del sistema d'electròlisi a una mida necessària per generar hidrogen per a activitats intensives en energia com el transport sigui molt més senzill.

Els productes es venen a totes les regions de la Xina i s'exporten a països de tot el món. S'han venut a més de 20 països i regions, inclosos els Estats Units, Alemanya, el Marroc, Kenya, l'Aràbia Saudita, Vietnam, Algèria, l'Índia, Tanzània i Taiwan. Va proporcionar amb èxit empreses conegudes com China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group i altres empreses conegudes. Hi ha moltes estacions d'hidrogenació d'hidrogen verd com Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, etc. ofereixen projectes verds i de fabricació d'hidrogen.