¿Qué es la producción de hidrógeno a partir del agua de mar? ¿Por qué tanta atención? ¿Cuáles son las dificultades técnicas?

¿Por qué ha llamado tanta atención el éxito de la prueba piloto de producción de hidrógeno mediante electrólisis directa de agua de mar? ¿Qué tan difícil es eso? ¿Cuáles son las dificultades técnicas que hay que superar para producir hidrógeno mediante electrólisis de agua de mar?

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Producción de hidrógeno a partir de agua de mar.

La producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua se considera una tecnología de preparación de hidrógeno verde muy importante. En la actualidad, la tecnología de electrólisis del agua comercializada utiliza agua dulce como electrolito. Como todos sabemos, los recursos mundiales de agua dulce son extremadamente limitados, con la aplicación a gran escala de la hidroelectricidad para producir hidrógeno, lo que sin duda agrava la escasez de recursos de agua dulce. Por el contrario, el agua de mar es rica en recursos, lo que da lugar a la idea de "producción de hidrógeno en agua de mar".

A diferencia del agua dulce, que representa el 96,5 por ciento del volumen total de agua de la Tierra, el agua de mar tiene una composición compleja que incluye más de 90 sustancias químicas y elementos. Una gran cantidad de iones, microorganismos y partículas contenidas en el agua de mar pueden provocar problemas como competencia por reacciones secundarias, inactivación de catalizadores y bloqueo del diafragma durante la producción de hidrógeno.

Para ello, la tecnología de producción de hidrógeno utilizando agua de mar como materia prima ha seguido dos rutas diferentes. En primer lugar, la producción directa de hidrógeno a partir de agua de mar, es decir, a partir de agua de mar natural, se produce principalmente mediante electrólisis o fotólisis. En segundo lugar, la producción indirecta de hidrógeno del agua de mar consiste en desalinizar y eliminar las impurezas del agua de mar, desalinizar el agua de mar para formar agua dulce de alta pureza primero y luego producir hidrógeno.

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Dos grandes ventajas

Las plataformas marinas de producción de hidrógeno se pueden utilizar como almacenamiento de energía a largo plazo o como sitios de producción de productos químicos finos, lo que permite que la energía verde se integre estrechamente con los sistemas de producción de productos químicos.

La plataforma de producción de hidrógeno marino puede resolver el problema del consumo de electricidad renovable marina de gran alcance, y el uso de electricidad renovable para producir hidrógeno y amoníaco verde en el lugar puede convertirse en el principal método de aplicación de energía renovable marina de gran alcance en el futuro.

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Dificultad técnica

Dificultad técnica 1: muchas impurezas en el agua de mar afectan la aparición de desprendimiento de hidrógeno catódico

En el proceso de agua electrolítica, el H2 se precipita del cátodo; para la reacción de desprendimiento de hidrógeno del cátodo, el problema más desafiante es que existen varios cationes disueltos en el agua de mar natural, como Na+, Mg2+, Ca2+, etc., además, hay una variedad de bacterias, microorganismos y partículas diminutas.

Estas impurezas obstruirán el electrodo con el progreso de la electrólisis del agua de mar y luego envenenarán o acelerarán el envejecimiento del electrodo/catalizador en el sistema electrolítico, lo que dará como resultado una durabilidad deficiente.

Dificultad técnica 2: los iones cloruro causan corrosión anódica y afectan la reacción de desprendimiento de oxígeno anódico

En el proceso de electrólisis del agua, el O2 suele precipitar del ánodo. Sin embargo, la presencia de una gran cantidad de iones cloruro (Cl-) en el agua de mar provocará una corrosión grave del material del ánodo, lo que provocará daños en los electrodos y un alto voltaje, poniendo fin a la reacción eficiente de desprendimiento de oxígeno. Además, la alta concentración de iones cloruro también ocurrirá en la reacción de oxidación de cloro del ánodo, ocupando el sitio activo del catalizador, reduciendo así la eficiencia de la reacción de desprendimiento de oxígeno del ánodo.

Dificultad técnica 3: Competencia entre la reacción de desprendimiento de oxígeno anódico y la reacción de cloración de oxígeno

En el proceso de electrólisis del agua de mar, el ánodo sufrirá dos reacciones, a saber: reacción de desprendimiento de oxígeno (REA) y reacción de cloración de oxígeno (ClOR). Reacción de desprendimiento de oxígeno: 4OH-→O2+H2O+4e-; E0=1,23 V (frente a RHE)

Reacción de oxidación del cloro: Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e-; E0=1,71 V (frente a RHE)

Se puede observar que el E0 de los dos es similar, lo que producirá una relación competitiva, que limita en gran medida el voltaje de trabajo del electrolizador. Además, tanto la reacción de ClOR como la formación de hipoclorito son reacciones de dos electrones, y la reacción de ClOR es más fácil de realizar cinéticamente que la reacción de cuatro electrones de REA, por lo que generalmente se observa que el sobrepotencial de REA es mayor que el de ClOR.

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Estado de la investigación

En la actualidad, la producción de hidrógeno a partir de agua de mar se encuentra todavía en las primeras etapas de investigación y pruebas, y todavía enfrenta muchos desafíos, pero la investigación y el desarrollo de la producción de hidrógeno a partir de la electrólisis del agua de mar han logrado algunos avances. En 2022, el equipo del académico Xie Heping logró un gran avance original en el campo de la producción directa de hidrógeno a partir de agua de mar y estableció de manera innovadora un nuevo principio y tecnología de producción directa de hidrógeno a partir de agua de mar sin desalinización impulsada por la transición de fase y la migración. Hay muchos proyectos de demostración de producción de hidrógeno en agua de mar en el país y en el extranjero, pero todavía son proyectos piloto a pequeña escala y la mayoría de ellos están en construcción o en propuesta.

Aunque la producción de hidrógeno mediante electrólisis de agua de mar tiene un largo camino por recorrer desde pruebas pequeñas y piloto hasta la aplicación industrial final. Sin embargo, creemos que en la trayectoria de la energía del hidrógeno a nivel de billones, si esta tecnología finalmente se aplica, ¡dejará la tinta más profunda en el camino de la "descarbonización"!