Qual è la produzione di idrogeno dall'acqua di mare? Perché tanta attenzione? Quali sono le difficoltà tecniche?

Perché il successo del test pilota per la produzione di idrogeno mediante elettrolisi diretta dell'acqua di mare ha attirato così tanta attenzione? Quanto è difficile? Quali sono le difficoltà tecniche da superare per produrre idrogeno mediante elettrolisi dell'acqua di mare?

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Produzione di idrogeno dall'acqua di mare

La produzione di idrogeno mediante elettrolisi dell’acqua è considerata una tecnologia molto importante per la preparazione dell’idrogeno verde. Attualmente, la tecnologia di elettrolisi dell’acqua commercializzata utilizza acqua dolce come elettrolita. Come tutti sappiamo, le risorse globali di acqua dolce sono estremamente limitate, con l’applicazione su larga scala dell’energia idroelettrica per produrre idrogeno, che senza dubbio aggrava la carenza di risorse di acqua dolce. Al contrario, l’acqua di mare è ricca di risorse, il che dà origine all’idea della “produzione di idrogeno dall’acqua di mare”.

A differenza dell’acqua dolce, che rappresenta il 96,5% del volume totale dell’acqua della Terra, l’acqua di mare ha una composizione complessa che comprende più di 90 sostanze chimiche ed elementi. Un gran numero di ioni, microrganismi e particelle contenuti nell'acqua di mare possono causare problemi come competizione nelle reazioni collaterali, inattivazione del catalizzatore e blocco del diaframma durante la produzione di idrogeno.

To this end, hydrogen production technology using seawater as raw materials has formed two different routes. First, the direct production of hydrogen from seawater, that is, based on natural seawater, is mainly produced by electrolysis or photolysis. Second, indirect hydrogen production of seawater is to desalinate and remove impurities from seawater, desalinate seawater to form high-purity fresh water first, and then produce hydrogen.

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Due grandi vantaggi

Le piattaforme offshore per la produzione di idrogeno possono essere utilizzate come stoccaggio di energia a lungo termine o come siti di produzione di prodotti chimici fini, consentendo all’energia verde di essere strettamente integrata con i sistemi di produzione chimica.

La piattaforma di produzione offshore di idrogeno può risolvere il problema del consumo di elettricità rinnovabile marina di vasta portata e l’uso di elettricità rinnovabile per produrre idrogeno e ammoniaca verde sul posto può diventare il principale metodo di applicazione dell’energia rinnovabile marina di vasta portata nel futuro.

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Difficoltà tecnica

Difficoltà tecnica 1: molte impurità nell'acqua di mare influenzano il verificarsi dell'evoluzione dell'idrogeno nel catodo

Nel processo dell'acqua elettrolitica, l'H2 viene precipitato dal catodo, per la reazione di evoluzione dell'idrogeno nel catodo, il problema più impegnativo è che ci sono vari cationi disciolti nell'acqua di mare naturale, come Na+, Mg2+, Ca2+, ecc., Inoltre, ci sono una varietà di batteri, microrganismi e minuscole particelle.

Queste impurità ostruiranno l'elettrodo con il progredire dell'elettrolisi dell'acqua di mare, quindi avveleneranno o accelereranno l'invecchiamento dell'elettrodo/catalizzatore nel sistema elettrolitico, con conseguente scarsa durata.

Difficoltà tecnica 2: gli ioni cloruro provocano la corrosione anodica e influenzano la reazione di evoluzione dell'ossigeno anodico

Nel processo di elettrolisi dell'acqua, l'O2 viene solitamente precipitato dall'anodo. Tuttavia, la presenza di un gran numero di ioni cloruro (Cl-) nell'acqua di mare causerà una grave corrosione del materiale dell'anodo, che porterà a danni agli elettrodi e ad alta tensione, ponendo così fine all'efficiente reazione di evoluzione dell'ossigeno. Inoltre, l'elevata concentrazione di ioni cloruro si verificherà anche nella reazione di ossidazione del cloro anodico, occupando il sito attivo del catalizzatore, riducendo così l'efficienza della reazione di evoluzione dell'ossigeno anodico.

Difficoltà tecnica 3: Competizione tra la reazione di evoluzione dell'ossigeno anodico e la reazione di clorurazione dell'ossigeno

Nel processo di elettrolisi dell'acqua di mare, l'anodo subirà due reazioni, vale a dire: reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER) e reazione di clorazione dell'ossigeno (ClOR). Reazione di evoluzione dell'ossigeno: 4OH-→O2+H2O+4e-; E0=1,23 V (rispetto a RHE)

Reazione di ossidazione del cloro: Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e-; E0=1,71 V (rispetto a RHE)

Si può vedere che l'E0 dei due è simile, il che produrrà un rapporto competitivo, che limiterà notevolmente la tensione di lavoro dell'elettrolizzatore. Inoltre, sia la reazione ClOR che la formazione di ipoclorito sono reazioni a due elettroni e la reazione ClOR è più facile da eseguire cineticamente rispetto alla reazione OER a quattro elettroni, quindi si osserva solitamente che la sovratensione OER è superiore a quella di ClOR.

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Stato della ricerca

Al momento, la produzione di idrogeno dall’acqua di mare è ancora nella fase iniziale di ricerca e sperimentazione e deve ancora affrontare molte sfide, ma la ricerca e lo sviluppo della produzione di idrogeno dall’elettrolisi dell’acqua di mare hanno fatto alcuni progressi. Nel 2022, il team dell'accademico Xie Heping ha compiuto un importante passo avanti nel campo della produzione diretta di idrogeno dall'acqua di mare e ha stabilito in modo innovativo un nuovo principio e una nuova tecnologia per la produzione diretta di idrogeno dall'acqua di mare senza desalinizzazione guidata dalla transizione di fase e dalla migrazione. Esistono molti progetti dimostrativi sulla produzione di idrogeno dall’acqua di mare in patria e all’estero, ma si tratta ancora di progetti pilota su piccola scala e la maggior parte di essi sono in costruzione o proposti.

Sebbene la produzione di idrogeno mediante elettrolisi dell’acqua di mare abbia ancora molta strada da fare, dai piccoli test pilota all’applicazione finale su scala industriale. Tuttavia, crediamo che nel percorso dei trilioni di energia dell’idrogeno, se questa tecnologia verrà finalmente applicata, lascerà l’inchiostro più profondo sulla strada della “decarbonizzazione”!