समुद्राच्या पाण्यापासून हायड्रोजनचे उत्पादन काय आहे? इतके लक्ष का? तांत्रिक अडचणी काय आहेत?

समुद्राच्या पाण्याचे थेट इलेक्ट्रोलिसिस करून हायड्रोजन उत्पादनाच्या प्रायोगिक चाचणीच्या यशाकडे इतके लक्ष का वेधले गेले? ते किती अवघड आहे? समुद्राच्या पाण्याच्या इलेक्ट्रोलिसिसद्वारे हायड्रोजन तयार करण्यासाठी कोणत्या तांत्रिक अडचणींवर मात करणे आवश्यक आहे?

01

समुद्राच्या पाण्यापासून हायड्रोजन निर्मिती

पाण्याच्या इलेक्ट्रोलिसिसद्वारे हायड्रोजन उत्पादन हे अत्यंत महत्त्वाचे ग्रीन हायड्रोजन तयार करण्याचे तंत्रज्ञान मानले जाते. सध्या, व्यावसायिकीकृत पाणी इलेक्ट्रोलिसिस तंत्रज्ञान ताजे पाणी इलेक्ट्रोलाइट म्हणून वापरते. आपल्या सर्वांना माहित आहे की, जागतिक ताजे जल संसाधने अत्यंत मर्यादित आहेत, हायड्रोजन तयार करण्यासाठी जलविद्युतचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जातो, जे निःसंशयपणे ताज्या पाण्याच्या स्रोतांची कमतरता वाढवते. याउलट, समुद्राचे पाणी संसाधनांनी समृद्ध आहे, ज्यामुळे "समुद्रजल हायड्रोजन उत्पादन" ची कल्पना येते.

ताज्या पाण्याच्या विपरीत, ज्याचा वाटा पृथ्वीच्या एकूण पाण्याच्या 96.5 टक्के आहे, समुद्राच्या पाण्यामध्ये 90 पेक्षा जास्त रसायने आणि घटकांचा समावेश असलेली जटिल रचना आहे. मोठ्या संख्येने आयन, सूक्ष्मजीव आणि समुद्राच्या पाण्यात असलेल्या कणांमुळे हायड्रोजन उत्पादनादरम्यान साइड रिअॅक्शन स्पर्धा, उत्प्रेरक निष्क्रियता आणि डायाफ्राम अवरोध यासारख्या समस्या उद्भवू शकतात.

यासाठी, कच्चा माल म्हणून समुद्राच्या पाण्याचा वापर करून हायड्रोजन उत्पादन तंत्रज्ञानाने दोन भिन्न मार्ग तयार केले आहेत. प्रथम, समुद्राच्या पाण्यापासून हायड्रोजनचे थेट उत्पादन, म्हणजेच नैसर्गिक समुद्राच्या पाण्यावर आधारित, प्रामुख्याने इलेक्ट्रोलिसिस किंवा फोटोलिसिसद्वारे तयार केले जाते. दुसरे, समुद्राच्या पाण्याचे अप्रत्यक्ष हायड्रोजन उत्पादन म्हणजे समुद्राच्या पाण्यातील अशुद्धता डिसॅलिनेट करणे आणि काढून टाकणे, समुद्रातील पाण्याचे क्षारीकरण करून उच्च-शुद्ध शुद्ध पाणी तयार करणे आणि नंतर हायड्रोजन तयार करणे.

02

दोन प्रमुख फायदे

ऑफशोअर हायड्रोजन उत्पादन प्लॅटफॉर्मचा वापर दीर्घकालीन ऊर्जेचा संचय किंवा सूक्ष्म रसायनांसाठी उत्पादन साइट म्हणून केला जाऊ शकतो, ज्यामुळे हरित ऊर्जा रासायनिक उत्पादन प्रणालींशी जवळून समाकलित केली जाऊ शकते.

ऑफशोअर हायड्रोजन उत्पादन प्लॅटफॉर्म दूरगामी सागरी नूतनीकरणीय विजेच्या वापराची समस्या सोडवू शकतो आणि जागेवर हायड्रोजन आणि ग्रीन अमोनिया तयार करण्यासाठी नूतनीकरणक्षम विजेचा वापर ही दूरगामी सागरी अक्षय ऊर्जा वापरण्याची मुख्य पद्धत बनू शकते. भविष्य

03

तांत्रिक अडचण

तांत्रिक अडचण 1: समुद्राच्या पाण्यातील अनेक अशुद्धता कॅथोड हायड्रोजन उत्क्रांतीच्या घटनेवर परिणाम करतात

इलेक्ट्रोलाइटिक पाण्याच्या प्रक्रियेत, H2 कॅथोडमधून अवक्षेपित होते, कॅथोड हायड्रोजन उत्क्रांती अभिक्रियासाठी, सर्वात आव्हानात्मक समस्या ही आहे की नैसर्गिक समुद्राच्या पाण्यात विविध विरघळणारे केशन आहेत, जसे की Na+, Mg2+, Ca2+, इ., याव्यतिरिक्त, विविध प्रकारचे जीवाणू, सूक्ष्मजीव आणि लहान कण आहेत.

ही अशुद्धता समुद्राच्या पाण्याच्या इलेक्ट्रोलिसिसच्या प्रगतीसह इलेक्ट्रोडला चिकटून ठेवतील आणि नंतर इलेक्ट्रोलाइटिक सिस्टममध्ये इलेक्ट्रोड/उत्प्रेरकांच्या वृद्धत्वास विषबाधा किंवा गती देईल, परिणामी टिकाऊपणा खराब होईल.

तांत्रिक अडचण 2: क्लोराईड आयनमुळे अॅनोडिक गंज होतो आणि अॅनोडिक ऑक्सिजन उत्क्रांती प्रतिक्रिया प्रभावित होते

पाण्याच्या इलेक्ट्रोलिसिसच्या प्रक्रियेत, O2 सहसा एनोडमधून अवक्षेपित होते. तथापि, समुद्राच्या पाण्यात मोठ्या प्रमाणात क्लोराईड आयन (Cl-) च्या उपस्थितीमुळे एनोड सामग्रीचे गंभीर गंज होईल, ज्यामुळे इलेक्ट्रोडचे नुकसान होईल आणि उच्च व्होल्टेज होईल, त्यामुळे कार्यक्षम ऑक्सिजन उत्क्रांती प्रतिक्रिया समाप्त होईल. याव्यतिरिक्त, क्लोराईड आयनांची उच्च एकाग्रता एनोड क्लोरीन ऑक्सिडेशन प्रतिक्रियामध्ये देखील उद्भवेल, उत्प्रेरकाची सक्रिय जागा व्यापेल, ज्यामुळे एनोड ऑक्सिजन उत्क्रांती अभिक्रियाची कार्यक्षमता कमी होईल.

तांत्रिक अडचण 3: अॅनोडिक ऑक्सिजन उत्क्रांती प्रतिक्रिया आणि ऑक्सिजन क्लोरीनेशन प्रतिक्रिया यांच्यातील स्पर्धा

समुद्राच्या पाण्याच्या इलेक्ट्रोलिसिसच्या प्रक्रियेत, एनोडवर दोन प्रतिक्रिया होतील, म्हणजे: ऑक्सिजन उत्क्रांती प्रतिक्रिया (OER) आणि ऑक्सिजन क्लोरीनेशन प्रतिक्रिया (ClOR). ऑक्सिजन उत्क्रांती प्रतिक्रिया: 4OH-→O2+H2O+4e-; E0=1.23V (वि. RHE)

क्लोरीन ऑक्सिडेशन प्रतिक्रिया: Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e-; E0=1.71V (वि. RHE)

हे पाहिले जाऊ शकते की दोघांपैकी E0 समान आहे, जे एक स्पर्धात्मक संबंध निर्माण करेल, जे इलेक्ट्रोलायझरच्या कार्यरत व्होल्टेजला मोठ्या प्रमाणात मर्यादित करते. याव्यतिरिक्त, ClOR प्रतिक्रिया आणि हायपोक्लोराइट निर्मिती या दोन्ही दोन-इलेक्ट्रॉन प्रतिक्रिया आहेत आणि ClOR प्रतिक्रिया ही OER चार-इलेक्ट्रॉन प्रतिक्रियेपेक्षा गतिमानपणे पार पाडणे सोपे आहे, म्हणून OER ओव्हरपोटेन्शियल सामान्यतः ClOR पेक्षा जास्त असल्याचे दिसून येते.

04

संशोधन स्थिती

सध्या, समुद्राच्या पाण्यापासून हायड्रोजन उत्पादन अद्याप संशोधन आणि चाचणीच्या सुरुवातीच्या टप्प्यात आहे आणि तरीही अनेक आव्हानांना तोंड द्यावे लागत आहे, परंतु समुद्राच्या पाण्याच्या इलेक्ट्रोलिसिसपासून हायड्रोजन उत्पादनाच्या संशोधन आणि विकासाने काही प्रगती केली आहे. 2022 मध्ये, अकादमीशियन झी हेपिंग यांच्या टीमने समुद्राच्या पाण्यापासून थेट हायड्रोजन उत्पादनाच्या क्षेत्रात एक प्रमुख मूळ यश मिळवले आणि फेज संक्रमण आणि स्थलांतरामुळे निर्जलीकरण न करता समुद्राच्या पाण्यापासून थेट हायड्रोजन उत्पादनाचे नवीन तत्त्व आणि तंत्रज्ञान नाविन्यपूर्णपणे स्थापित केले. देश-विदेशात समुद्राच्या पाण्यातील हायड्रोजन उत्पादनाचे अनेक प्रात्यक्षिक प्रकल्प आहेत, परंतु ते अजूनही लहान-प्रमाणात पायलट आहेत आणि त्यापैकी बहुतेक बांधकामाधीन आहेत किंवा प्रस्तावित आहेत.

जरी समुद्राच्या पाण्याच्या इलेक्ट्रोलिसिसद्वारे हायड्रोजन उत्पादनास लहान आणि प्रायोगिक चाचण्यांपासून अंतिम औद्योगिक विस्तृत अनुप्रयोगापर्यंत जाणे खूप लांब आहे. तथापि, आमचा विश्वास आहे की हायड्रोजन उर्जेच्या ट्रिलियन-स्तरीय ट्रॅकमध्ये, जर हे तंत्रज्ञान अखेरीस लागू केले गेले तर ते "डीकार्बोनायझेशन" च्या रस्त्यावर सर्वात गहन शाई सोडेल!