O que é a produção de hidrogênio a partir da água do mar? Por que tanta atenção? Quais são as dificuldades técnicas?

Porque é que o sucesso do teste piloto de produção de hidrogénio por eletrólise direta da água do mar atraiu tanta atenção? Quão difícil é isso? Quais são as dificuldades técnicas que precisam ser superadas para produzir hidrogênio por eletrólise da água do mar?

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Produção de hidrogênio a partir da água do mar

A produção de hidrogênio por eletrólise da água é considerada uma tecnologia de preparação de hidrogênio verde muito importante. Atualmente, a tecnologia de eletrólise de água comercializada utiliza água doce como eletrólito. Como todos sabemos, os recursos globais de água doce são extremamente limitados, com a aplicação em grande escala da energia hidroeléctrica para a produção de hidrogénio, o que sem dúvida agrava a escassez de recursos de água doce. Em contrapartida, a água do mar é rica em recursos, o que dá origem à ideia de “produção de hidrogénio na água do mar”.

Ao contrário da água doce, que representa 96,5% do volume total de água da Terra, a água do mar tem uma composição complexa que envolve mais de 90 produtos químicos e elementos. Um grande número de íons, microorganismos e partículas contidas na água do mar pode levar a problemas como competição de reações colaterais, inativação do catalisador e bloqueio do diafragma durante a produção de hidrogênio.

Para tanto, a tecnologia de produção de hidrogênio utilizando água do mar como matéria-prima formou duas rotas diferentes. Em primeiro lugar, a produção direta de hidrogénio a partir da água do mar, ou seja, com base na água do mar natural, é produzida principalmente por eletrólise ou fotólise. Em segundo lugar, a produção indireta de hidrogênio da água do mar consiste em dessalinizar e remover impurezas da água do mar, dessalinizar a água do mar para formar primeiro água doce de alta pureza e depois produzir hidrogênio.

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Duas grandes vantagens

As plataformas offshore de produção de hidrogénio podem ser utilizadas como armazenamento a longo prazo de energia ou locais de produção de produtos químicos finos, permitindo que a energia verde seja estreitamente integrada com os sistemas de produção química.

A plataforma offshore de produção de hidrogénio pode resolver o problema do consumo de electricidade renovável marinha de longo alcance, e a utilização de electricidade renovável para produzir hidrogénio e amoníaco verde no local pode tornar-se o principal método de aplicação de energia renovável marinha de longo alcance no futuro.

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Dificuldade técnica

Dificuldade técnica 1: Muitas impurezas na água do mar afetam a ocorrência da evolução do hidrogênio catódico

No processo de água eletrolítica, o H2 é precipitado do cátodo, para a reação de evolução do hidrogênio do cátodo, o problema mais desafiador é que existem vários cátions dissolvidos na água do mar natural, como Na+, Mg2+, Ca2+, etc., além disso, há uma variedade de bactérias, microorganismos e partículas minúsculas.

Essas impurezas obstruirão o eletrodo com o progresso da eletrólise da água do mar e, em seguida, envenenarão ou acelerarão o envelhecimento do eletrodo/catalisador no sistema eletrolítico, resultando em baixa durabilidade.

Dificuldade técnica 2: íons cloreto causam corrosão anódica e afetam a reação de evolução do oxigênio anódico

No processo de eletrólise da água, o O2 geralmente precipita do ânodo. No entanto, a presença de um grande número de íons cloreto (Cl-) na água do mar causará corrosão grave do material do ânodo, o que levará a danos no eletrodo e alta tensão, encerrando assim a reação eficiente de evolução de oxigênio. Além disso, a alta concentração de íons cloreto também ocorrerá na reação de oxidação do cloro no ânodo, ocupando o sítio ativo do catalisador, reduzindo assim a eficiência da reação de evolução do oxigênio no ânodo.

Dificuldade técnica 3: Competição entre reação de evolução anódica de oxigênio e reação de cloração de oxigênio

No processo de eletrólise da água do mar, o ânodo passará por duas reações, a saber: reação de evolução de oxigênio (OER) e reação de cloração de oxigênio (ClOR). Reação de evolução de oxigênio: 4OH-→O2+H2O+4e-; E0 = 1,23 V (vs. RHE)

Reação de oxidação do cloro: Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e-; E0=1,71V (vs. RHE)

Percebe-se que o E0 dos dois é semelhante, o que produzirá uma relação competitiva, o que limita bastante a tensão de trabalho do eletrolisador. Além disso, tanto a reação de ClOR quanto a formação de hipoclorito são reações de dois elétrons, e a reação de ClOR é mais fácil de realizar cineticamente do que a reação de quatro elétrons de OER, de modo que o sobrepotencial de OER é geralmente observado como sendo maior que o de ClOR.

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Status da pesquisa

Actualmente, a produção de hidrogénio a partir da água do mar ainda está na fase inicial de investigação e testes e ainda enfrenta muitos desafios, mas a investigação e o desenvolvimento da produção de hidrogénio a partir da electrólise da água do mar registaram alguns progressos. Em 2022, a equipe do acadêmico Xie Heping fez um grande avanço original no campo da produção direta de hidrogênio a partir da água do mar e estabeleceu de forma inovadora um novo princípio e tecnologia de produção direta de hidrogênio a partir da água do mar sem dessalinização impulsionada pela transição de fase e migração. Existem muitos projectos de demonstração de produção de hidrogénio na água do mar no país e no estrangeiro, mas ainda são pilotos de pequena escala, e a maioria deles está em construção ou proposta.

Embora a produção de hidrogênio por eletrólise da água do mar ainda tenha um longo caminho a percorrer, desde pequenos testes piloto até a aplicação industrial final. No entanto, acreditamos que no nível de triliões da energia do hidrogénio, se esta tecnologia for eventualmente aplicada, deixará a tinta mais profunda no caminho da "descarbonização"!