A nova queridinha da energia de hidrogênio: como a liga de espuma de ferro e níquel remodela os eletrolisadores de produção de hidrogênio

1. A Nova Era do Hidrogênio

Desde sua descoberta no século XVI, o hidrogênio tem sido considerado uma fonte crucial de energia limpa devido à sua abundância, alta densidade energética e propriedades verdes e de baixo carbono.

Atualmente, os processos de produção de hidrogênio são categorizados, de acordo com suas emissões de carbono, em hidrogênio cinza, hidrogênio azul e hidrogênio verde. Entre eles, o hidrogênio verde, produzido pela eletrólise da água utilizando energia renovável, não emite gases de efeito estufa nem substâncias nocivas e apresenta alta pureza. É o método mais limpo de produção de hidrogênio e representa a principal direção futura para a energia do hidrogênio.

O hidrogênio verde é obtido principalmente por meio deeletrólise da água, onde um eletrolisador divide a água em hidrogênio e oxigênio. Atualmente, existem quatro tecnologias principais de eletrolisadores: ALK (eletrólise de água alcalina), PEM (eletrólise por membrana de troca de prótons), SOEC (célula de eletrólise de óxido sólido) e AEM (célula de eletrólise de polímero sólido).Emna eletrólise da membrana de troca).

No contexto da neutralidade global de carbono, o hidrogênio verde tornou-se inegavelmente uma área-chave na transição energética. A capacidade da tecnologia de eletrolisadores de reduzir ainda mais os custos e aumentar a eficiência é crucial para seu sucesso futuro neste campo vital.

2. O principal: Eletrólisadores Alcalinos

A ALK (eletrólise alcalina da água) para a produção de hidrogênio ocorre em um ambiente eletrolítico alcalino, normalmente utilizando soluções de KOH ou NaOH. A maior vantagem dessa tecnologia de eletrólise é que tanto o ânodo quanto o cátodo não contêm partículas preciosas.Metals, resultando no menor custo de eletrolisador. Além disso, esse tipo de eletrolisador é o mais maduro comercialmente, com vasta experiência operacional, e domina o mercado. Os principais indicadores de desempenho de alguns equipamentos críticos nacionais atingiram níveis avançados internacionais, oferecendo produção de hidrogênio em larga escala por célula, tornando-os facilmente adaptáveis ​​para eletrólise alimentada pela rede elétrica.

Um eletrolisador alcalino consiste principalmente em componentes como placas terminais, juntas, placas bipolares,Eletrodoplacas e diafragmas. O eletrolisador é composto por dezenas ou até centenas de células de eletrólise, pressionadas juntas por parafusos e placas terminais para formar um formato cilíndrico ou quadrado. Cada célula de eletrólise, delimitada por duas placas adjacentes, inclui seis partes: placas bipolares positiva e negativa, um eletrodo anódico, um diafragma, uma junta de vedação e um eletrodo catódico.

Crucialmente, o eletrodo do eletrolisador alcalino é onde ocorrem as reações eletroquímicas e é fundamental para determinar a eficiência da produção de hidrogênio do eletrolisador. A maioria dos eletrodos utilizados em grandes eletrolisadores alcalinos domésticos são à base de níquel, como substratos de malha de níquel puro, níquel espumado ou malha de níquel puro/níquel espumado revestidos com catalisadores altamente ativos. Entre estes, o níquel espumado é barato e um produto maduro. O material do eletrodo é preenchido com numerosos microporos, oferecendo uma vasta área de superfície. Isso aumenta significativamente a área de contato entre a solução e o eletrodo, encurta a distância de transferência de massa e melhora significativamente a eficiência da reação de eletrólise.

Material de liga de ferro-níquel de espumaSupera os materiais tradicionais à base de níquel, proporcionando locais de evolução de oxigênio mais ativos, e sua eficiência catalítica é significativamente maior. É um "golpe de mestre" para a eletrólise de água alcalina avançar ainda mais. De acordo com testes confiáveis, em condições reais de trabalho, a eficiência da eletrólise de água alcalina usando espuma de ferro-níquel é superior à da malha de níquel tradicional. Com base em pesquisas de ponta nacionais e internacionais, o consumo de energia CC pode ser tão baixo quanto 4,0-4,3 kWh/metro cúbico padrão, com eficiência energética de 80-85%.

3. O alvorecer dos eletrolisadores AEM

A eletrólise da água por membrana de troca aniônica de polímero sólido (AEM) é um processo de produção de hidrogênio que usa uma membrana de troca aniônica de baixo custo como separador, solução alcalina de baixa concentração ou água pura como eletrólito e catalisadores de metais não preciosos para a reação.

Em eletrolisadores AEM, o ânodo normalmente consiste em óxidos de metais de transição (por exemplo, óxido de níquel, óxido de cobalto), enquanto o cátodo geralmente é feito de metais preciosos ou suas ligas, como níquel, platina ou paládio.

A reação no ânodo é: 4OH−−4e−→O2​↑+2H2​O A reação no cátodo é: 2H2​O+2e−→H2​↑+2OH−

Os 4OH− mencionados aqui são os ânions enfatizados neste processo. Sob a ação da membrana de troca aniônica, o OH− produzido no cátodo pode migrar para o ânodo, aumentando a concentração de OH− no lado do ânodo, levando à geração de mais oxigênio e água no ânodo. Isso naturalmente deixa um produto de hidrogênio mais puro no cátodo.

A principal função dos materiais do cátodo e do ânodo é catalisar a reação de separação da água e liberar com eficiência o hidrogênio e o oxigênio produzidos. Portanto, tanto o cátodo quanto o ânodo devem possuir forte atividade catalítica e porosidade. Para que as reações do eletrodo ocorram sem problemas, os materiais do cátodo e do ânodo também devem apresentar alta condutividade aniônica e eletrônica.

Atualmente, os materiais catódicos mais utilizados são ligas de níquel, e os materiais anódicos são principalmente ligas de níquel-ferro. Ferro e níquel não só apresentam forte atividade catalítica para a separação de água, como também são amplamente disponíveis e de baixo custo. Como o AEM não opera em ambientes altamente corrosivos, não requer catalisadores de metais preciosos, como irídio ou titânio, nos materiais anódico e catódico. Isso reduz significativamente o custo de fabricação dos equipamentos AEM, e seu desempenho não é inferior ao da tecnologia PEM, tornando-se a principal direção para eletrolisadores de hidrogênio recém-desenvolvidos em todo o mundo.

4. Surfando na onda: a ascensão deEspuma de Ferro-Níquel

Seja para a atual tecnologia ALK (eletrólise alcalina) ou para a emergente tecnologia AEM, a espuma de ferro-níquel oferece vantagens de aplicação exclusivas e amplas perspectivas.

Características do material: Design revolucionário de malha 3D

• Área de superfície específica ultra-alta:Com tamanhos de poros variando de 20 a 450 μm e uma porosidade ≥98%, sua área de superfície ativa é centenas de vezes maior do que a dos eletrodos planares. Isso aumenta significativamente as taxas de reação, aumenta drasticamente a área de contato entre a solução e o eletrodo, encurta a distância de transferência de massa e melhora significativamente a eficiência da reação de eletrólise.
• Catálise eficaz: A superfície da espuma de ferro-níquel é revestida com catalisadores à base de níquel e ferro. Esses catalisadores auxiliam na reação de eletrólise da água, que a decompõe em hidrogênio e oxigênio.
• Suporte estrutural:A estrutura tridimensional do níquel espumado fornece excelente suporte, ajudando a manter a estabilidade e a integridade estrutural do eletrodo, garantindo uma operação a longo prazo.
• Alta condutividade:Tanto o ferro quanto o níquel são bons condutores elétricos, e a estrutura tridimensional da espuma de ferro-níquel proporciona uma grande área de superfície, auxiliando na distribuição de corrente.

Aplicação da Camada Catalisadora

Atualmente, as camadas de catalisador do eletrolisador incluem principalmentecamada de catalisador de ânodo (OER-CL)e ocamada de catalisador catódico (HER-CL), que facilitam a reação de evolução de oxigênio (REA) e a reação de evolução de hidrogênio (REA), respectivamente. Como tanto a REA quanto a REA apresentam inércia cinética, catalisadores são tipicamente carregados nos eletrodos para aumentar a atividade da reação e reduzir o consumo de energia. Esta é a função da camada de catalisador (CL). Como os catalisadores à base de Ni apresentam alta atividade e excelente resistência à corrosão em meios alcalinos, além de serem mais estáveis ​​do que outros metais de transição (como Fe e Co), eles são amplamente utilizados como catalisadores tanto para REA quanto para REA. Devido à sua alta afinidade pelo oxigênio, o Fe tende a adsorver espécies OH- e, portanto, é frequentemente usado como um promotor cinético para REA.Material de liga de níquel-ferro de espuma, que combina as propriedades dos metais NiFe, mostra vantagens significativas quando usado como material de ânodo para produção de hidrogênio.

Aplicação da Camada de Difusão

A camada de difusão gasosa (GDL) é usada principalmente para difusão de gases — hidrogênio no cátodo e oxigênio no ânodo. Além disso, devido à sua condutividade metálica e térmica, ela também facilita a transferência de elétrons e calor, sendo, portanto, conhecida como camada de transporte porosa (PTL). Atualmente, a espuma de níquel é amplamente utilizada como material para camada de difusão no mercado. Além disso, a espuma de ferro-níquel de alta qualidade e baixo custo tornou-se uma opção mais econômica.