ما هو إنتاج الهيدروجين من مياه البحر؟ لماذا كل هذا الاهتمام؟ ما هي الصعوبات التقنية؟

لماذا اجتذب نجاح الاختبار التجريبي لإنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي المباشر لمياه البحر كل هذا الاهتمام؟ ما مدى صعوبة ذلك؟ ما هي الصعوبات التقنية التي يجب التغلب عليها لإنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي لمياه البحر؟

01

إنتاج الهيدروجين من مياه البحر

يعتبر إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء تقنية مهمة جدًا لتحضير الهيدروجين الأخضر. في الوقت الحاضر، تستخدم تكنولوجيا التحليل الكهربائي للمياه التجارية المياه العذبة باعتبارها المنحل بالكهرباء. وكما نعلم جميعا، فإن موارد المياه العذبة العالمية محدودة للغاية، مع الاستخدام الواسع النطاق للطاقة الكهرومائية لإنتاج الهيدروجين، مما يؤدي بلا شك إلى تفاقم النقص في موارد المياه العذبة. وفي المقابل، فإن مياه البحر غنية بالموارد، مما أدى إلى ظهور فكرة "إنتاج الهيدروجين من مياه البحر".

وعلى عكس المياه العذبة، التي تمثل 96.5% من إجمالي حجم المياه على الأرض، فإن مياه البحر لها تركيبة معقدة تتضمن أكثر من 90 مادة كيميائية وعنصرًا. يمكن أن يؤدي وجود عدد كبير من الأيونات والكائنات الحية الدقيقة والجسيمات الموجودة في مياه البحر إلى مشاكل مثل منافسة التفاعل الجانبي وتعطيل المحفز وانسداد الحجاب الحاجز أثناء إنتاج الهيدروجين.

ولتحقيق هذه الغاية، شكلت تكنولوجيا إنتاج الهيدروجين باستخدام مياه البحر كمواد خام طريقين مختلفين. أولا، الإنتاج المباشر للهيدروجين من مياه البحر، أي استنادا إلى مياه البحر الطبيعية، يتم إنتاجه بشكل رئيسي عن طريق التحليل الكهربائي أو التحلل الضوئي. ثانيًا، يهدف إنتاج الهيدروجين غير المباشر لمياه البحر إلى تحلية مياه البحر وإزالة الشوائب منها، وتحلية مياه البحر لتكوين مياه عذبة عالية النقاء أولاً، ثم إنتاج الهيدروجين.

02

اثنين من المزايا الرئيسية

يمكن استخدام منصات إنتاج الهيدروجين البحرية كمواقع تخزين طويلة الأجل للطاقة أو مواقع إنتاج للمواد الكيميائية الدقيقة، مما يسمح بتكامل الطاقة الخضراء بشكل وثيق مع أنظمة إنتاج المواد الكيميائية.

يمكن لمنصة إنتاج الهيدروجين البحرية أن تحل مشكلة استهلاك الكهرباء البحرية المتجددة بعيدة المدى، وقد يصبح استخدام الكهرباء المتجددة لإنتاج الهيدروجين والأمونيا الخضراء على الفور طريقة التطبيق الرئيسية للطاقة المتجددة البحرية بعيدة المدى في مستقبل.

03

صعوبة فنية

الصعوبة التقنية 1: تؤثر العديد من الشوائب الموجودة في مياه البحر على حدوث تطور هيدروجين الكاثود

في عملية الماء التحليلي، يتم ترسيب H2 من الكاثود، بالنسبة لتفاعل تطور هيدروجين الكاثود، فإن المشكلة الأكثر تحديًا هي وجود العديد من الكاتيونات الذائبة في مياه البحر الطبيعية، مثل Na+، Mg2+، Ca2+، وما إلى ذلك، بالإضافة إلى ذلك، هناك مجموعة متنوعة من البكتيريا والكائنات الحية الدقيقة والجزيئات الصغيرة.

سوف تسد هذه الشوائب القطب الكهربي مع تقدم التحليل الكهربائي لمياه البحر، ثم تسمم أو تسرع من شيخوخة القطب/المحفز في نظام التحليل الكهربي، مما يؤدي إلى ضعف المتانة.

الصعوبة التقنية 2: تسبب أيونات الكلوريد تآكلًا أنوديًا وتؤثر على تفاعل تطور الأكسجين الأنودي

في عملية التحليل الكهربائي للمياه، عادة ما يتم ترسيب O2 من القطب الموجب. ومع ذلك، فإن وجود عدد كبير من أيونات الكلوريد (Cl-) في مياه البحر سوف يسبب تآكلًا خطيرًا لمادة الأنود، مما سيؤدي إلى تلف القطب الكهربائي والجهد العالي، وبالتالي إنهاء تفاعل تطور الأكسجين الفعال. بالإضافة إلى ذلك، فإن التركيز العالي لأيونات الكلوريد سيحدث أيضًا في تفاعل أكسدة الكلور الأنود، حيث يشغل الموقع النشط للمحفز، وبالتالي يقلل من كفاءة تفاعل تطور الأكسجين الأنودي.

الصعوبة التقنية 3: التنافس بين تفاعل تطور الأكسجين الأنودي وتفاعل كلورة الأكسجين

في عملية التحليل الكهربائي لمياه البحر، سيخضع الأنود لتفاعلين، وهما: تفاعل تطور الأكسجين (OER) وتفاعل كلورة الأكسجين (ClOR). تفاعل تطور الأكسجين: 4OH-→O2+H2O+4e-؛ E0=1.23V (مقابل RHE)

تفاعل أكسدة الكلور: Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e-؛ E0=1.71V (مقابل RHE)

ويمكن ملاحظة أن E0 للاثنين متشابهان، مما سينتج عنه علاقة تنافسية، مما يحد بشكل كبير من جهد عمل المحلل الكهربائي. بالإضافة إلى ذلك، فإن كلاً من تفاعل ClOR وتكوين الهيبوكلوريت عبارة عن تفاعلات ثنائية الإلكترون، وتفاعل ClOR أسهل في الأداء حركياً من تفاعل الموارد التعليمية المفتوحة بأربعة إلكترونات، لذلك عادةً ما يُلاحظ أن إمكانات الموارد المفتوحة المفتوحة أعلى من تلك الخاصة بـ ClOR.

04

حالة البحث

في الوقت الحاضر، لا يزال إنتاج الهيدروجين من مياه البحر في مرحلة مبكرة من البحث والاختبار، ولا يزال يواجه العديد من التحديات، ولكن البحث والتطوير لإنتاج الهيدروجين من التحليل الكهربائي لمياه البحر قد أحرز بعض التقدم. في عام 2022، حقق فريق الأكاديمي شيه هيبينج اختراقًا أصليًا كبيرًا في مجال إنتاج الهيدروجين المباشر من مياه البحر، وأنشأ بشكل مبتكر مبدأ وتقنية جديدة لإنتاج الهيدروجين المباشر من مياه البحر دون تحلية المياه مدفوعًا بمرحلة الانتقال والهجرة. هناك العديد من المشاريع التجريبية لإنتاج الهيدروجين من مياه البحر في الداخل والخارج، لكنها لا تزال تجريبية على نطاق صغير، ومعظمها قيد الإنشاء أو مقترح.

على الرغم من أن إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي لمياه البحر لا يزال أمامه طريق طويل ليقطعه من الاختبارات الصغيرة والتجريبية إلى التطبيق الصناعي النهائي الواسع. ومع ذلك، فإننا نعتقد أنه في مسار تريليون مستوى من الطاقة الهيدروجينية، إذا تم تطبيق هذه التكنولوجيا في نهاية المطاف، فإنها ستترك الحبر الأعمق على طريق "إزالة الكربون"!