Kesayangan Baru Tenaga Hidrogen: Bagaimana Aloi Besi-Nikel Buih Membentuk Semula Elektroliser Pengeluaran Hidrogen

1. Era Baru Hidrogen

Sejak penemuannya pada abad ke-16, hidrogen telah dianggap sebagai sumber tenaga bersih yang penting kerana kelimpahannya, ketumpatan tenaga yang tinggi, dan sifat hijau, rendah karbon.

Pada masa ini, proses pengeluaran hidrogen dikategorikan mengikut pelepasan karbonnya kepada hidrogen kelabu, hidrogen biru, dan hidrogen hijau. Antaranya, hidrogen hijau, yang dihasilkan dengan mengelektrolisis air menggunakan tenaga boleh diperbaharui, tidak mengeluarkan gas rumah hijau atau bahan berbahaya dan mempunyai ketulenan yang tinggi. Ia adalah kaedah pengeluaran hidrogen yang paling bersih dan mewakili hala tuju masa depan utama untuk tenaga hidrogen.

Hidrogen hijau terutamanya diperoleh melaluielektrolisis air, di mana elektrolisis membahagikan air kepada hidrogen dan oksigen. Pada masa ini terdapat empat teknologi elektrolisis utama: ALK (elektrolisis air beralkali), PEM (elektrolisis membran pertukaran proton), SOEC (sel elektrolisis oksida pepejal), dan AEM (polimer pepejal a).Dalampada elektrolisis membran pertukaran).

Dalam konteks neutral karbon global, hidrogen hijau tidak dapat dinafikan telah menjadi kawasan utama dalam peralihan tenaga. Keupayaan teknologi elektrolisis untuk mengurangkan lagi kos dan meningkatkan kecekapan adalah penting untuk kejayaan masa depannya dalam bidang penting ini.

2. Tunjang utama: Elektroliser Beralkali

ALK (elektrolisis air beralkali) untuk pengeluaran hidrogen berlaku dalam persekitaran elektrolit alkali, biasanya menggunakan larutan KOH atau NaOH. Kelebihan terbesar teknologi elektrolisis ini ialah kedua-dua plat anod dan katod tidak mengandungi berhargalogams, menghasilkan kos elektrolisis terendah. Tambahan pula, jenis elektrolisis ini adalah yang paling matang secara komersial, dengan pengalaman operasi yang luas, dan menguasai pasaran. Penunjuk prestasi utama beberapa peralatan kritikal domestik telah mencapai tahap lanjutan antarabangsa, menawarkan pengeluaran hidrogen berskala besar bagi setiap sel, menjadikannya mudah disesuaikan untuk elektrolisis berkuasa grid.

Elektroliser beralkali terutamanya terdiri daripada komponen seperti plat hujung, gasket, plat bipolar,Elektrodplat, dan diafragma. Elektroliser terdiri daripada berpuluh atau bahkan ratusan sel elektrolisis, ditekan bersama oleh skru dan plat hujung untuk membentuk bentuk silinder atau segi empat sama. Setiap sel elektrolisis, yang digariskan oleh dua plat bersebelahan, termasuk enam bahagian: plat bipolar positif dan negatif, elektrod anod, diafragma, gasket pengedap dan elektrod katod.

Yang penting, elektrod elektrolisis alkali ialah tempat tindak balas elektrokimia berlaku dan merupakan kunci untuk menentukan kecekapan pengeluaran hidrogen elektrolisis. Kebanyakan elektrod yang digunakan dalam elektrolisis beralkali domestik yang besar adalah berasaskan nikel, seperti mesh nikel tulen, nikel buih, atau substrat nikel nikel tulen/buih yang disalut dengan pemangkin yang sangat aktif. Antaranya, nikel buih adalah murah dan produk matang. Bahan elektrodnya dipenuhi dengan banyak mikropori, menawarkan kawasan permukaan yang luas. Ini dengan ketara meningkatkan kawasan sentuhan antara larutan dan elektrod, memendekkan jarak pemindahan jisim, dan meningkatkan kecekapan tindak balas elektrolisis dengan ketara.

Bahan aloi besi-nikel buihmengatasi bahan berasaskan nikel tradisional, menyediakan tapak evolusi oksigen yang lebih aktif, dan kecekapan pemangkinnya jauh lebih tinggi. Ia adalah "masterstroke" untuk elektrolisis air alkali untuk terus menembusi dan memajukan. Mengikut ujian berwibawa, di bawah keadaan kerja sebenar, kecekapan elektrolisis air beralkali menggunakan buih besi-nikel adalah lebih baik daripada mesh nikel tradisional. Berdasarkan penyelidikan terkini tempatan dan antarabangsa, penggunaan tenaga DC boleh serendah 4.0-4.3 KWH/meter padu standard, dengan kecekapan tenaga mencapai 80-85%.

3. Fajar AEM Electrolyzers

Elektrolisis air membran pertukaran anion polimer pepejal (AEM) ialah proses pengeluaran hidrogen yang menggunakan membran pertukaran anion kos rendah sebagai pemisah, larutan alkali kepekatan rendah atau air tulen sebagai elektrolit, dan pemangkin logam bukan berharga untuk tindak balas.

Dalam elektrolisis AEM, anod biasanya terdiri daripada oksida logam peralihan (cth, nikel oksida, kobalt oksida), manakala katod biasanya diperbuat daripada logam berharga atau aloinya, seperti nikel, platinum, atau paladium.

Tindak balas di anod ialah: 4OH−−4e−→O2​↑+2H2​O Tindak balas di katod ialah: 2H2​O+2e−→H2​↑+2OH−

4OH− yang disebut di sini adalah anion yang ditekankan dalam proses ini. Di bawah tindakan membran pertukaran anion, OH− yang dihasilkan di katod boleh berhijrah ke anod, meningkatkan kepekatan OH− di bahagian anod, membawa kepada lebih banyak oksigen dan penjanaan air di anod. Ini secara semula jadi meninggalkan produk hidrogen yang lebih tulen di katod.

Peranan utama bahan katod dan anod adalah untuk memangkinkan tindak balas pemisahan air dan dengan cekap mengeluarkan hidrogen dan oksigen yang dihasilkan. Oleh itu, kedua-dua bahan katod dan anod mesti mempunyai aktiviti pemangkin dan keliangan yang kuat. Untuk kelancaran tindak balas elektrod, bahan katod dan anod juga mesti mempunyai kekonduksian anion dan elektron yang tinggi.

Pada masa ini, bahan katod yang paling banyak digunakan ialah aloi nikel, dan bahan anod terutamanya aloi besi nikel. Besi dan nikel bukan sahaja mempamerkan aktiviti pemangkin yang kuat untuk membelah air tetapi juga tersedia secara meluas dan kos rendah. Memandangkan AEM tidak beroperasi dalam persekitaran yang sangat menghakis, ia tidak memerlukan pemangkin logam berharga seperti iridium atau titanium dalam bahan anod dan katod. Ini dengan ketara mengurangkan kos pembuatan peralatan AEM, dan prestasinya tidak kalah dengan teknologi PEM, menjadikannya arah arus perdana untuk elektrolisis hidrogen yang baru dibangunkan di seluruh dunia.

4. Menunggang Ombak: KebangkitanBuih Besi-Nikel

Sama ada untuk arus perdana ALK (elektrolisis alkali) atau teknologi AEM yang baru muncul, nikel besi buih menawarkan kelebihan aplikasi yang unik dan prospek yang luas.

Ciri-ciri Bahan: Reka Bentuk Mesh 3D Revolusioner

• Luas permukaan khusus ultra tinggi:Dengan saiz liang antara 20-450 μm dan keliangan ≥98%, luas permukaan aktifnya ratusan kali lebih besar daripada elektrod satah. Ini meningkatkan kadar tindak balas dengan ketara, meningkatkan secara mendadak kawasan sentuhan antara larutan dan elektrod, memendekkan jarak pemindahan jisim, dan meningkatkan kecekapan tindak balas elektrolisis dengan ketara.
• Pemangkinan yang berkesan: Permukaan buih besi-nikel disalut dengan pemangkin berasaskan nikel dan berasaskan besi. Pemangkin ini membantu dalam tindak balas elektrolisis air, yang membahagikan air kepada hidrogen dan oksigen.
• Sokongan struktur:Struktur tiga dimensi nikel buih memberikan sokongan yang sangat baik, membantu mengekalkan kestabilan dan integriti struktur elektrod, memastikan operasi jangka panjang.
• Kekonduksian tinggi:Kedua-dua besi dan nikel adalah konduktor elektrik yang baik, dan struktur tiga dimensi besi-nikel buih menyediakan kawasan permukaan yang tinggi, membantu dalam pengagihan arus.

Aplikasi Lapisan Pemangkin

Pada masa ini, lapisan pemangkin elektrolisis terutamanya termasuklapisan pemangkin anod (OER-CL)danlapisan pemangkin katod (HER-CL), yang memudahkan tindak balas evolusi oksigen (OER) dan tindak balas evolusi hidrogen (HER), masing-masing. Oleh kerana kedua-dua OER dan HER mempamerkan kelengaman kinetik, pemangkin biasanya dimuatkan ke elektrod untuk meningkatkan aktiviti tindak balas dan mengurangkan penggunaan tenaga. Ini adalah fungsi lapisan mangkin (CL). Oleh kerana pemangkin berasaskan Ni menunjukkan aktiviti tinggi dan rintangan kakisan yang sangat baik dalam media beralkali, dan lebih stabil daripada logam peralihan lain (seperti Fe, Co), ia digunakan secara meluas sebagai pemangkin OER dan HER. Oleh kerana pertalian oksigennya yang tinggi, Fe cenderung untuk menjerap spesies OH− dan oleh itu sering digunakan sebagai penganjur kinetik OER.Bahan aloi nikel-besi buih, yang menggabungkan sifat logam NiFe, menunjukkan kelebihan ketara apabila digunakan sebagai bahan anod untuk pengeluaran hidrogen.

Aplikasi Lapisan Resapan

Lapisan resapan gas (GDL) digunakan terutamanya untuk resapan gas—hidrogen di katod dan oksigen di anod. Selain itu, disebabkan kekonduksian logam dan kekonduksian terma, ia juga memudahkan pemindahan elektron dan haba, dengan itu dikenali sebagai lapisan pengangkutan berliang (PTL). Pada masa ini, nikel buih digunakan secara meluas sebagai bahan lapisan resapan di pasaran. Tambahan pula, besi-nikel buih berkualiti tinggi dan menjimatkan kos kini merupakan pilihan yang lebih menjimatkan.