Кпд электролиз воды: Вычисляем КПД электролизеров и генераторов водорода

Содержание

Вычисляем КПД электролизеров и генераторов водорода

В связи с большим практическим прорывом в этой области и появлением множества работающих устройств по расщеплению воды с коэффициентом полезного действия больше единицы, (КПД>100%) мы решили прояснить некоторые моменты для сомневающихся и просто для тех, кто решил заняться практикой и начал сборку подобных устройств.

Начнем с того, что все расчеты и цифры приведены для нормальных условий, то есть для среднего давления и комнатной температуры. Мы не будем утомлять Вас сложными формулами, а приведем лишь полезные цифры и информацию, которые помогут на практике.

При расщеплении воды может вырабатываться как отдельно кислород и водород, так и их смесь, называемая газом Брауна или гремучим газом (в народе и на СЕ слэнге «гремучка»). В любом случае топливом является только водород и именно его нужно считать и учитывать.

Основным параметром любого топлива, в том числе и водорода, является его теплотворная способность или удельная теплота сгорания топлива, которые показывают сколько джоулей тепловой энергии будет выделено при сгорании определенного веса или объема вещества. Так как водород — это газ, то нам для расчетов будет удобнее использовать количество Джоулей, выделяемых при сжигании одного литра водорода. То есть Дж/л. Из справочников мы возьмем минимальное усредненное значение, которое равно 10 800 кДж/м3, что в нашем случае составляет 10800 Дж/л. Теперь нам придется вспомнить, каким образом эти цифры можно сопоставить с привычными нам при расчете энергии. За основу давайте возьмем электричество и соответственно его единицы измерения киловатт часы. Тут все просто, 1 ватт мощности это один Джоуль выделяемый за секунду. Отсюда мы без труда выводим следующие цифры, которые пригодятся всем практикам в дальнейшем

**— 1 киловатт час электроэнергии это 1 Джоуль * 1000 * 3600 = 3,6 Мега Джоуля или 3,6МДж.**

**— 1 литр водорода при сжигании выделяет в пересчете на электроэнергию 0,003кВт*часа = 3Ватт часа энергии.**

— При КПД приблизительно равном 100%, установка потребляющая мощность 1кВт должна вырабатывать 333,(3) литра водорода в час.

— При КПД приблизительно равном 100% установка потребляющая мощность 1кВт, должна вырабатывать 5,(5) литра водорода в минуту.

Дальше все просто! Имея эти цифры мы без труда можем рассчитать КПД любой установки.

Возьмем для примера классические, продаваемые ныне водородные сварки, которые при потреблении 1,8кВт часа электроэнергии, вырабатывают около 6 литров водорода в минуту. Отсюда следует, что работают они с КПД приблизительно равным 60%. Считается это так: мы знаем, что однокиловаттная установка вырабатывает 5,(5) литра водорода в минуту, а у нас потребление 1,8кВт, значит нам нужно 5,(5) умножить на 1.8, получаем 10. То есть мы выяснили, что для работы со стопроцентным КПД данная установка должна вырабатывать 10 литров водорода, а нам известно со слов производителя, что вырабатывает она максимум 6, значит нам остается только 6 разделить на 10 и умножить на 100%, отсюда и получена цифра в 60%.

С водородом мы разобрались и по-моему тут все просто, теперь давайте сделаем то же самое для газа Брауна или «гремучки». Так как газ Брауна содержит в себе две части водорода и одну часть кислорода, а топливом является только водород, то все наши полученные выше цифры необходимо умножить приблизительно на две третьих (2/3). Отсюда мы получаем:

**— 1 литр газа Брауна при сжигании выделяет в пересчете на электроэнергию 0,002кВт*часа = 2Ватт часа энергии.**

— При КПД приблизительно равном 100%, установка потребляющая мощность в 1кВт должна вырабатывать 500 литров газа Брауна в час.

— При КПД приблизительно равном 100% установка потребляющая мощность в 1кВт, должна вырабатывать 8,(3) литра газа Брауна в минуту.

Вот и все основные цифры, которые могут понадобиться для приблизительной теоретической оценки вырабатываемого электролизерами газа и его эффективности. Следует также еще раз особо отметить, что цифры даны минимальные и относятся они только к сугубо теоретическим аспектам, которые далеко не всегда подтверждаются на практике. . К ним смело можно прибавить 10%.

Рассмотрим один из недавних примеров, достоверность которого нам известна доподлинно, равно как и все приведенные ниже цифры.

Мы уже публиковали по нему несколько статей и видео, а по последним опытам можем только лишь добавить, что в настоящий момент прототип генератора при потребление от сети тока в девять ампер, вырабатывает в минуту 24 литра газа Брауна. По расчетам получается следующее:

9*220=1,98кВт, таким образом получается, что при 100% КПД выработка газа должна быть 1,98*8,3=16 литров в минуту, а при реальных 24-х литрах установка по всем теоретическим расчетам работает с КПД превышающим 150%, что само по себе не может не радовать. Но все дело в том, что на практике этот КПД еще в несколько раз выше. Рассмотрим еще один вполне конкретный пример.

Были проведены опыты с обычным четырехкиловаттным бензиновым генератором, который был переделан на газ Брауна и был запущен в режиме самозапитки.

На практике были получены следующие основные цифры: на собственную работу, то есть на выработку четырех киловатт энергии генератор тратил только два киловатта вырабатываемой мощности, отдавая оставшиеся два киловатта в полезную нагрузку. При этом электролизер был менее эффективной модели, который от двух киловатт вырабатывал не более 18 литров водорода в минуту и даже меньше, но при этом двигатель все равно устойчиво работал, отдавая в нагрузку два киловатта полезной мощности. Если вспомнить, что КПД классического двигателя внутреннего сгорания не превышает 30%, то есть всего 30% из подаваемого газа идет на генерацию электроэнергии, то получаются совершенно другие цифры.

На практике получается, что даже этот, далеко не самый эффективный на данный момент электролизер, работает с КПД превышающим 600%!

На вопрос «откуда дровишки», то есть откуда же берется этот самый прирост энергии, мы ответить пока не можем и оставляем его физикам-теоретикам. Мы можем лишь еще раз подтвердить, что все описанное выше имеет место быть в том виде, в котором мы и описали и каждый желающий сможет в этом убедиться. Добавим лишь, что мы не посягаем на правильность первого и второго начала термодинамики и на закон сохранения энергии, находя их вполне адекватными и рабочими, что в нашем случае подразумевает только лишь наличие и использование в данной установке дополнительно какого-либо другого вида энергии, который тем не менее пока не вписывается в рамки классической теоретической физики.

На правах рекламы, продолжаем знакомить Вас с интересными сайтами.

На этом сайте продается Тренинг уверенности в себе со скидкой. К сожалению мы сами не проходили данный курс, по этому ничего о нем сказать не можем, но выглядит красиво.

Электролиз воды в промышленных генераторах водорода

ЭЛЕКТРОЛИЗ

это окислительно-восстановительная реакция, которая протекает только под действием электричества. В промышленных генераторах водорода для получения водорода и кислорода проводят электролиз воды. Для протекания реакции необходимо поместить в электролит два электрода, подключенных к источнику питания постоянного тока:

Анод — электрод к которому подключен положительный проводник;

Катод — электрод к которому подключен отрицательный проводник.

Ниже представлена принципиальная схема промышленного щелочного электролизера.

ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДЫ

Под действием электрического тока вода разделяется на составляющие ее молекулы: водород и кислород. Отрицательно заряженный катод притягивает катионы водорода а положительно заряженный анод — анионы ОН^—.

Деминерализованная вода, используемая в промышленных электролизных установках сама по себе является слабым электролитом, поэтому в нее добавляют сильные электролиты для увеличения проводимости электрического тока. Зачастую выбирают электролиты с меньшим катионным потенциалом, чтобы исключить конкуренцию с катионами водорода : KOH или NaOH. Электрохимическая реакция протекающая на электродах выглядит следующим образом:

Реакция на аноде: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ — выделение кислорода;

Реакция на катоде: 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻— выделение водорода.

Промышленный электролизер собран по биполярной схеме, где между основными электродом и катодом помещены биполярные «промежуточные» электроды имеющие разные заряды по сторонам. Со стороны основного анода, промежуточный электрод имеет катодную сторону, со стороны катода — анодную (см. рисунок).

Далее, чтобы получить чистый водород и кислород, требуется разделить газы образующиеся на электродах, и для этого применяют разделительные ионно-обменные мембраны (см. рисунок). Количество получаемого водорода в два раза больше получаемого кислорода и поэтому давление в водородной полости поднимается в два раза быстрее. Для уравнивания давления в полостях применяют уравнивающую давление мембрану на выходе из электролизера, которая предотвращает передавливание водорода в полость кислорода через каналы предназначенные для циркуляции электролита.

Данный метод является наиболее применяемым методом в промышленности и позволяет получать газообразный водород с КПД от 50 до 70% производительностью до 500 м³/час при удельных энергозатратах 4,5-5,5 Н₂м³/кВт-ч.

ЭЛЕКТРОЛИЗ НА ТПЭ

В настоящий момент к наиболее эффективным методом разделения можно отнести электролиз с применением твердо-полимерных электролитов на основе перфторированной ионно обменной мембраны.

Данный тип электролизеров позволяет получать водород с КПД до 90% и является наиболее экологичным. Электролизеры с ТПЭ дороже щелочных в 6-7 раз и поэтому пока не получили свое распространение в промышленности.

Электролиз обыкновенной воды

В данной статье поговорим про электролиз обыкновенной воды.

Тот, кто не задумываясь, тешит себя роликами с Ютюба, а после этого пытается повторить преподнесённое им на блюдечке, обречён на неудачу. Интернет «кишит» роликами-обманками, и это шоу является частью жизни людей. Кто-то на этом зарабатывает деньги, а кто-то помогает ему зарабатывать деньги, просматривая это шоу. К видеороликам необходимо подходить осторожно. Я, например, знаю, что можно повысить КПД электролизной установки, но я не уверен, действительно ли Мэйер ездил на своем автомобиле на воде? Первое, я себе доказал и теоретически и практически, а второе пока нет.

Для достаточного количества газа необходимого автомобилю, площадь электродов в ячейке Мэйера слишком мала! Один из загадочных элементов в конструкции автомобиля Мэйера – красный бак, находящийся за креслом водителя. Про него ничего нигде не пишут. В бак вставлены ячейка — «Resonant Cavity», индикатор уровня воды – «water level indicator», и лазерный стимулятор. Всё кроме этого бака, так или иначе, описано, а про бак вообще ничего. Неужели это и есть топливный бак (для воды). Но на видеороликах Мэйер наливает воду непосредственно в ячейку. Это было небольшое отступление от темы статьи, а для Вас — тема для раздумий.

Мои исследования, прежде всего, направлены не на скорейшее «подключение» электролизной ячейки к автомобилю, а на максимальное повышение её производительности. Цель – уменьшить электролизный ток, или другими словами – затраты энергии, но при этом увеличить объём выхода кислородно-водородной смеси. В ходе моих экспериментальных исследований выявились определённые физические свойства воды, изучив которые и в последующем используя, удалось увеличить производительность обыкновенной электролизной установки в несколько раз. Сначала я начинал эксперименты с установки, собранной из пластин, но в ходе экспериментов пришлось от них отказаться, перейдя на трубки. Пластины, представляли собой несогласованную нагрузку на сверхвысоких частотах. Тяжело было сделать синфазный СВЧ-разветвитель без потери мощности. Самая банальная, но главная проблема – все активные элементы должны были быть равноудалены от специального СВЧ-резонатора на расстояние кратное длине волны, иначе происходило неравномерное выделение газа. Поэтому я вынужден был перейти на трубки.

Для того, чтобы было с чем сравнивать в дальнейшем, последовательность экспериментов началась с обыкновенного электролиза постоянным током. Опыты я проводил на установке изображённой ниже. Электролизную ячейку я наполнял обыкновенной, пропущенной через угольный фильтр водопроводной водой, не используя при этом кислоты и щелочи. Во время эксперимента, из электролизной ячейки, водородно-кислородная смесь поступала в «перевёрнутую» наполненную водой ёмкость 1 объёмом 100 миллилитров. В начале опыта, при включении установки запускался секундомер. Когда ёмкость наполнялась газом и появлялись выходящие из неё во внешнюю ёмкость 2 пузырьки, секундомер останавливался. Для сокращения времени на опыты, были взяты три пары трубок описанных в патентах Мейера длиной 4 дюйма. Общая площадь электролизного активного пространства (площади электродов) составила около 180 см².

Указанную ёмкость я «наполнял» газом несколько раз при различных токах электролиза. Мной были выбраны токи: 0,25А; 0,5А; 1А; 1,5А; 2А.

При обыкновенном электролизе постоянным током обнаружилось, что с повышением напряжения U на пластинах электролизной установки, происходит нелинейный рост тока I. По предварительному предположению, пузырьки газа должны препятствовать прохождению тока в межэлектродном пространстве, поэтому увеличение напряжения на пластинах должно приводить к увеличению сопротивления водно-газовой смеси по параболическому закону. На самом деле происходило обратное явление.

Сопротивление R , с повышением напряжения резко падало по нелинейному графику – «гиперболе». Ожидалось, что появляющиеся на поверхности электродов пузырьки газов должны препятствовать прохождению электрического тока между электродами. Но на практике, оказалось, что при повышении тока еще на малых его значениях, происходило резкое падение сопротивления, а при токах выше 7-ми ампер, свойства проводимости воды не изменяются – выполняется Закон Ома. Описанное явление поясняется графиками.

Опыты показали, что пузырьки газов не препятствуют току, а наоборот – проводят его. Произведя несложные вычисления расхода электрической мощности P, и сопоставив её с выходом газа V, получился интересный результат. Оказалось, что чем меньше мощность, а конкретнее – ток, тем производительнее установка. Другими словами, затраты электроэнергии на единицу объёма вырабатываемой кислородно-водородной смеси меньше при малых токах, а при повышении тока, растут его паразитные потери. Это показано на следующих графиках.

Безусловно, при большом токе вырабатывается больше газа, ведь мы стремимся к большему количеству газа, но соотношение выхода газа к затраченной мощности резко падает, что снижает КПД установки.

Проводя эксперименты, я заметил, что в начальный момент подачи фиксированного напряжения, ток электролизной установки увеличивается не сразу, а постепенно. Что это за явление? Какой бы ток не прикладывался, вода свой химический состав не изменит. Это же не философский камень: «Из гумна делать золото». Можно было предположить, что вода обладает индуктивными свойствами, но откуда этим свойствам взяться? Другой вариант является наиболее приемлемым – вода, под действием электрического тока изменяет свои электрохимические свойства. Но что изменяется? Неужели молекулы медленно выстраиваются в ряды? Можно долго рассуждать об ориентации и вытягивании молекул, как это объясняет Мэйер, о поверхностной ионизации электродов, как это делает Канарев, но мы не будем этого делать сейчас. В ходе экспериментов я обратил внимание, что пузырьки образуются не только на внутренних поверхностях электродов, но и снаружи (более медленно). Я решил сбить пузырьки ударами по пластиковому корпусу моей электролизной установки. И тут я заметил, что когда я стучал рукояткой отвёртки по корпусу электролизёра, то стрелка амперметра незначительно, но резко отклонялась в меньшую сторону, а через секунду возвращалась на прежнее деление шкалы. Это и стало очередным открытием. Я подключил вместо стрелочного амперметра параллельно соединенные осциллограф и 25-ти ваттный резистор сопротивлением 1 Ом. При ударах по корпусу электролизной установки, на экране осциллографа наблюдалось более резкое падение тока. Оказалось, что в результате тряски, поверхность электродов быстрее освобождалась от пузырьков газа, что приводило к уменьшению паразитного тока снижающего КПД установки. Этот факт и явился решающим в моих дальнейших экспериментах.

Необходимо было создать такое устройство, которое бы «трясло» электролизную установку. На роль трясущего можно рассмотреть кандидатуру пенсионера — нигде не работает, сидит и трясёт, но он занимает определённый объём пространства, его надо кормить, лечить его старые косточки! Выйдет дороже! Поэтому необходимы технические средства.

На некоторых сайтах встречаются статьи о том, что трубки Мэйера имеют специальные пропилы для настройки в резонанс на звуковых частотах. Пропилы вы видите на рисунке.

Конечно, такой вариант использования звуковых колебаний возможен, но крепление трубок сделано так, что не позволяет трубкам вибрировать. Зная о том, что вода хорошо передает звуковые колебания, проще установить в ёмкости один, например – ультразвуковой резонатор и эффект достигнут. Мной использовался обыкновенный генератор прямоугольных импульсов на ТТЛ-микросхеме и ультразвуковой «пятак». Эксперимент с ультразвуковым резонатором показал незначительное увеличение количества выхода газа, при неизменной затрачиваемой мощности. Характеристика этого процесса показана на графике.

Здесь первый график – отношение объёма выходящего газа V, к электрической мощности P, от самой мощности, затрачиваемой на получение кислородно-водородной смеси без ультразвукового воздействия, а второй график — с ультразвуковым воздействием. Положительный эффект имеется, но не выразительный. На малой мощности (малом токе), ультразвуковое воздействие вообще не влияет на процесс электролиза, а на большой мощности производительность установки в некоторой степени повышается. В идеале, можно предположить, чем сильнее вибрация, тем выше будет график производительности, но для удаления пузырьков газа из межэлектродного пространства всё равно необходимо время.

Один из вариантов, позволяющих удалять пузырьки газа из межэлектродного пространства – обеспечить быструю циркуляцию воды, вымывающую пузырьки кислорода и водорода. Этот способ использует в своих реакторах товарищ Канарёв. А Мэйер, помимо других способов, конструкцию трубок своей мобильной установки сделал так, чтобы обеспечить наилучшую естественную циркуляцию воды и газов.

Обратившись к патентам Мэйера, я обратил внимание на то, что в патентах он значительное место отводит лазерной стимуляции. Мерцание светодиодов происходит на частоте, приблизительно равной 30 кГц. В качестве стимуляторов, используются мощные красные светодиоды, подобные тем, которые стоят в лазерных указках. Колупать лазерные указки – не дешёвое удовольствие, поэтому я этого делать не стал. Можно конечно повозиться со сверхъяркими светодиодами, но я до этого не дошёл. Если у Вас есть желание и возможности, попробуйте.

До красного светового диапазона я не дошёл, остановившись на СВЧ-частотах. Как я писал ранее, используется резонансная частота молекул воды. Это позволяет коротким маломощным импульсом с СВЧ-заполнением «встряхнуть» практически любой объём воды. Но поскольку непрерывное колебание на сверхвысоких частотах способно только нагревать молекулы воды (подобно квазинепрерывному колебанию микроволновой СВЧ-печи), а нам этого не надо, я применил короткий импульс. Старая конструкция показала неравномерный выход газа из разных пар трубок, поэтому пришлось переделывать конструкцию ячейки с выполнением премудростей техники СВЧ. Благодаря использованию короткого сверхвысокочастотного импульса, произошло значительное увеличение количества выхода газа, при неизменной затрачиваемой мощности.

Здесь первый график – зависимость отношения объёма выходящего газа V, к мощности P, от самой электрической мощности, затрачиваемой на получение кислородно-водородной смеси без дополнительного воздействия. Второй график – с ультразвуковым воздействием, а третий — с воздействием СВЧ-импульсом. Положительный эффект от стимуляции СВЧ-импульсами выразительнее, чем стимуляция ультразвуком. В ходе экспериментов при СВЧ-стимуляции, наблюдалось незначительное падение производительности на подводимой мощности около 16-ти Ватт, а потом снова наблюдался подъём производительности. Что это за падение, объяснить пока не могу, думал – ошибка измерения, но при повторных экспериментах и проводимых с использованием других приборов «падение» повторялось. Для точности, повторные измерения проводились с шагом тока в 0,2А, в диапазоне от 0,2А, до 2,4А. На конечном участке графика происходило резкое падение производительности. Правильнее сказать – ток повышался, а количество газа не увеличивалось. Предполагаю, что на больших токах, большое количество выделяемого газа препятствовало работе установки, поэтому при более больших токах, я экспериментировать не стал, нет смысла.

Если Вы посмотрите на последний график, то сможете сделать вывод: эта экспериментальная установка с полезной площадью электродов равной 180 см² (три пары трубок), способна при затрате 27 Ватт электрической мощности вырабатывать около 2,2 литров кислородно-водородной смеси в час. При указанной мощности и напряжении 12 вольт, ток потребления приблизительно будет равен 2,25 ампера. Отсюда следует, что для выработки 22 литров кислородно-водородной смеси в час, требуется 270 Вт электрической энергии, что при бортовом напряжении в 12 вольт соответствует току 22,5 ампер. При этом необходимо 30 пар трубок высотой около 10 сантиметров. Как видите, ток не малый, но он вполне «вписывается» в затраты энергии штатным генератором автомобиля. Можно и по другому: на 1 киловатт затраченной электрической мощности вырабатывается 81 литр газа, или с пересчётом на метры кубические – необходимо приблизительно 12,3 киловат*час. для выработки одного кубического метра кислородно-водородной смеси.

Если сравнивать с известными электролизными установками, например ИФТИ, затрачивающими 4…5 киловат*час на кубический нормированный метр водорода, то описанная в этой статье установка проигрывает в производительности, поскольку она затрачивает на кубический нормированный метр водорода 18,5 киловат*час. Поэтому из приведённых мной цифр делайте выводы сами.

Обратите внимание, что в описываемой мной установке используется обыкновенная вода, не «сдобренная» каустической содой, или другой щелочью. Щелочь необходима в обыкновенных электролизных установках, без неё установки не производительны. Кроме того, подача напряжения на электроды производится в непрерывном режиме. Но по патентам Мэйера следует, что он использовал импульсный режим. Мэйер пишет, что во время пауз, происходит восстановление воды. Думаю, что паузы в подаче напряжения используются для очистки электродов от пузырьков газа, которые вызывают появление в межэлектродном пространстве дополнительных паразитных токов.

Какой объем газа необходим для работы двигателя внутреннего сгорания, я пока не разбирался. Но то, что показывают на Ютюбе, мало соответствует действительности.

Получение водорода электролизом воды / Статьи и обзоры / Элек.ру

Получение чистого водорода путем электролиза воды — самая очевидная и эффективная технология, и один из наиболее перспективных способов получения альтернативного топлива. Водород добывают из любого водного раствора, а при сгорании он превращается обратно в воду.

По сравнению с прочими методами получения водорода, электролиз воды отличается целым рядом преимуществ. Во-первых, в ход идет доступное сырье — деминерализованная вода и электроэнергия. Во-вторых, во время производства отсутствуют загрязняющие выбросы. В-третьих, процесс целиком автоматизирован. Наконец, на выходе получается достаточно чистый (99,99%) продукт. Из всех методов электролиза наиболее перспективным считают высокотемпературный электролиз (себестоимость водорода от 2,35 до 4,8 $/кг). Его следует иметь на технологическом вооружении, поскольку при определенных экономических условиях он может быть использован в крупнопромышленном масштабе.

Электролизом воды называется физико-химический процесс, при котором под действием постоянного электрического тока дистиллированная вода разлагается на кислород и водород. В результате разделения на части молекул воды, водорода по объему получается вдвое больше, чем кислорода. Эффективность электролиза такова, что из 500 мл воды получается около кубометра обоих газов с затратами около 4 квт/ч электрической энергии.

Технологический ток для протекания процесса электролиза воды для получения водорода и кислорода получается, как правило, при помощи промышленного выпрямителя с необходимыми рабочими параметрами, Обычно это напряжение до 90В и силой тока до 1500 А. Подходящим агрегатом является Пульсар СМАРТ.

На электронном дисплее выпрямителя Пульсар СМАРТ или в специальном ПО для компьютера можно контролировать все стадии процесса производства, что позволяет оператору следить за параметрами, и круглосуточно журналировать протекание технологического процесса. Полностью автоматическая работа, включающая непрерывный мониторинг всех параметров для безаварийного функционирования без надзора оператора. Все параметры, касающиеся напряжения и силы тока постоянно измеряются и контролируются микропроцессором выпрямителя. Более того, все контролируемые параметры фиксируются устройством, которое в случае сбоя или отклонения может автоматически остановить процесс и сигнализирует об этом при помощи световой колонны.

Выпрямители тока серии Пульсар СМАРТ разработаны в соответствии с самыми высокими требованиями промышленной эффективности и международными стандартами. При этом технологическое программное обеспечение допускает гибкую адаптацию к требованиям Заказчика, и постоянно совершенствуется.

Электричество в газ с КПД 85%.: engineering_ru — LiveJournal

14/04/2014: На прошлой неделе, ЕС начал проект «Helmeth» (Integrated High-Temperature Electrolysis and Methanation for Effective Power to Gas Conversion), в котором несколько партнеров которых координирует Технологический институт Карлсруэ (KIT). Прект нацелен на повышение эффективности двухэтапного процесса получения метана электролизом. При бюджете в 3,8 млн. евро проект фокусируется на изучении способов использовать тепло (получаемое как побочный продукт) для электролиза (высоклтемпературный электролиз до 800 градусов по Цельсию) в получении метана из водорода. Цель состоит в том, чтобы построить демонстрационную установку с КПД 85 КПД. © ФОТОН

Технологии аккумулирования эл.энергии существуют давно. И потребность в них будет очень скоро. В настоящий момент идут исследования в этой области. Существует несколько вариантов:
1) наливные водохранилища (расходы 4-11 центов / кВт*ч)
2) сжатый воздух и водород (> 25 центов / кВт*ч)
3) Можно хранить водород в газовой сети (электролиз, хранение согласно DVGW до 5% в газовой системе; проблемы: точность измерения, коррозия)
4) «Электро-газ» технологии: высокие капитальные вложения, КПД: гидролиз.30%, 44% метанирования;
Прогноз: гидролиза 54-77%, 49-65% метанирование.

таком образом: электро-газ-электро оценка КПД в будущем: общую эффективность 40%.
(источник)

Систему электро-газ можно видеть на картинке:

p40
(при помощи электролиза получаем водород, кислород и тепло. Кислород и тепло идут в продажу. Водород и собранный из воздуха CO2 образуют в каталической реакции метан. Метан поступает в газорастпределительную систему Германии. Общий КПД 60%. КПД электролиза от 75 %.)

Сегодня Германия, благодаря резервуарам, может запасаться газом более чем на 200 ТВт*ч. С точки зрения затрат, наилучшим вариантом было бы использовать систему аккумулирования энергии как можно реже. Но это невозможно. В условиях Германии нет смысла говорить о гидроаккумуляторующих электростанций: ее доля и так мала, но даже повышение этой доли слишком амбициозная задача и почти невозможная географически.

ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДЫ — КАК ОН ЕСТЬ: hajoh — LiveJournal

По материалам книги Позднякова Э.А. http://predmet.ru/zagadki-nauki.pdf

Еще раз про Н2О
Как уже говорилось, впервые химический состав воды был определен французским химиком Лавуазье в 1784 году. Лавуазье вместе с военным инженером Мёнье, прогоняя пары воды над раскаленным листом железа, обнаружил, что вода разлагается, выделяя при этом водород и кислород. Да, конечно, для своего времени, для эпохи «упорядочения вещей», эти выводы имели большое значение. В самом деле, ведь до этого открытия вода считалась совершенно однородным веществом. Нельзя, однако, не отметить и другого: открытие это сыграло и свою вполне очевидную отрицательную роль, так как надолго отвлекло внимание других ученых от поисков в этой области и утвердило в умах многих поколений непогрешимость данного вывода, освященного к тому же авторитетом ученого.
Но, что условия, при которых он проводился, были настолько несовершенны, были «грязны».
Чего стоит одно только наличие железа, над которым пропускались пары воды. Оно способно внести такие моменты в опыт, которые даже трудно учесть наперед. Лавуазье с партнером зафиксировали в своем опыте то, что было наиболее очевидным: выделение двух газов — водорода и кислорода, а что было сверх того, на это они и вовсе не обратили внимание, скорее всего по той причине, что это «сверх того» не было столь очевидным, как выделение двух газов.
Поскольку до этого открытия общим мнением, господствовавшим в науке, было мнение, что вода является однородным веществом, факт открытия ее неоднородного состава можно назвать революционным. Чего еще можно было требовать от первооткрывателей! К тому же очевидность результатов опыта была слишком подкупающей.
Старый взгляд на воду был отброшен и заменен новым представлением о воде как соединении двух элементов — водорода и кислорода, которое быстро утвердилось в науке. Этому способствовало в значительной мере развитие электрохимии.

ЭЛЕКТРОЛИЗ по Дэви
Рядом ученых (Никольсон, Кавендиш и др.) был проведен опыт по электрохимическому разложению воды (подобное определение данного процесса совершенно ошибочно). Под словом «разложение» надо понимать электролиз воды как сложный окислительно-восстановительный процесс, но отнюдь не как простое разложение воды на составляющие элементы.
Итак, при разложении, т.е. электролизе воды выделялись водород и кислород, что, казалось бы, внешним образом подтверждало вывод Лавуазье. Однако при этом «черный ящик» стал неожиданно выдавать дополнительную информацию, которой прежде не было. В процессе электролиза обнаружилось два странных явления: во-первых, обе составные части воды выделялись не вместе, а отдельно друг от друга — кислород у одного электрода, водород — у другого; во-вторых, наблюдалось образование кислоты у кислородного полюса и щелочи у водородного. Это «странное» разложение воды озадачило ученых; притом их больше беспокоила вторая «странность», т.е. появление кислоты и щелочи.

То обстоятельство, что при пропускании через воду электрического тока выделялись водород и кислород, вполне устраивало ученых, ибо как бы подтверждало ставшее уже господствующим мнение о составе воды. Вопрос же о том, каким образом эти составные части выделялись, при каких сопутствующих обстоятельствах, хотя и занимал ученых того времени, но все же не в такой степени: их внимание было направлено главным образом на вторую «странность», ибо она наводила тень сомнения на открытую формулу воды. Неизбежно встал вопрос о том, что является причиной образования кислоты и щелочи при электролизе воды.
За решение этой загадки взялся выдающийся английский химик Гемфри Дэви (1778—1829). Дэви рядом опытов, казалось бы, подтвердил предполагаемый всеми учеными того времени факт, что образование кислоты и щелочи при электролизе воды — явление случайное, не связанное с самой водой, состоящей, как это и было определено Лавуазье, из водорода и кислорода. Но, каким образом Дэви удалось это «доказать».
Дэви проделал многочисленные опыты по «разложению» электричеством тщательно очищенной воды в различных сосудах: агатовых, стеклянных, сделанных из плавикового шпата, сернокислого барита и т.п., чтобы максимально уменьшить влияние материала сосудов на результаты опытов. Во всех без исключения опытах при электролизе воды он получал у анода сильную кислоту, у катода щелочь. Он связывал это с тем, что чистая вода отчасти все же разлагала материал сосудов, что и явилось причиной образования кислоты и щелочи. Важным, однако, следствием опытов было то, что количество образующихся у электродов кислоты и щелочи стояло в прямой зависимости от продолжительности опытов, а именно: чем продолжительнее они были, тем больше образовывалось кислоты и щелочи и тем сильнее была их концентрация.
В опытах Дэви по электролизу различных растворов солей получалась аналогичная картина: у анода шло образование кислоты с выделением кислорода, у катода — образование щелочи с выделением водорода или чистого аммиака. Сами эти процессы должны были бы подтолкнуть по аналогии к выводам относительно общих закономерностей, относящихся к процессу электролиза.
Ведь хорошо известно, что при электролизе различных веществ у электродов происходят окислительно-восстановительные процессы, но отнюдь не простое разложение веществ. Более того, только при наличии окислительно-восстановительного процесса может идти и сам электролиз.
При этом реакция окисления происходит у одного электрода, а реакция восстановления у другого. Поэтому было бы самой грубой ошибкой рассматривать электролиз как простой процесс разложения веществ на составляющие их элементы, будь то вода, соль или кислота. Окисление у одного полюса происходит при одновременном восстановлении у другого, и наоборот. Эти положения суть святая святых электрохимических процессов, полностью согласующихся со вторым началом термодинамики. Действительно, если мы возьмем примеры с электролизом солей, то легко видеть, что у анода происходила реакция восстановления с выделением кислорода (продуктом этой реакции, скапливающимся у анода, во всех случаях выступала какая-нибудь кислота). У катода происходила реакция окисления с выделением водорода или металла (продуктом этой реакции, скапливающимся у катода, всегда была какая-нибудь щелочь).

Естественно, казалось бы, распространить ту же закономерность и на воду: вода как химическое вещество, обладающее во многих отношениях кислотными свойствами, в принципе не может служить в данном случае исключением и просто разваливаться, подобно какой-нибудь механической смеси, на составляющие его части там, где все остальные вещества претерпевают сложные окислительно-восстановительные процессы. Поэтому уже априорно можно было бы ожидать при электролизе воды образования кислоты и щелочи у соответствующих электродов. Вопрос только в том — какой кислоты и какой щелочи?
Но именно эта совершенно очевидная вещь отвергалась. Мысль о ней не допускалась или ею попроступренебрегали. Притом делали это не какие-то дилетанты, а профессионалы высокого класса. Для них, сдается, каким-то символом веры, своего рода «священной коровой» стал факт, что вода состоит из двух элементов — водорода и кислорода, и они направляли все свои недюжинные способности именно на подтверждение данного факта, но отнюдь не на проверку его истинности. То, что оба газа выделялись при электролизе, хотя и у разных электродов, как бы подтверждало эту веру, даже вопреки всем законам электролиза и термодинамики. При этом никого нисколько не смущало, что вода вот так легко может разделяться на составные части, будто два склеенных куска дерева, опущенных в воду.

Для того чтобы избежать всяких побочных влияний, Дэви провел ряд опытов в золотых сосудах с хорошо очищенной водой. На протяжении четырнадцати часов, в течение которых продолжался опыт, количество кислоты в анодном сосуде постоянно возрастало. Дэви обнаружил, что она по своим свойствам ничем не отличалась от азотной кислоты, которая точно таким же образом образовывалась в опытах, проводимых им прежде в стеклянных сосудах. В катодном же сосуде образовывалась летучая щелочь, количество которой скоро доходило до определенного предела. Она обнаруживала свойство аммиака (Nh4).
Дэви повторил свой опыт и продолжал его без перерыва трое суток. К концу этого времени, как он сам свидетельствует, вода в сосудах была разложена и выпарилась больше чем на половину своего первоначального объема. В результате, в анодном сосуде образовалась сильная азотная кислота, количество же щелочи оставалось примерно на том же уровне, как и в предыдущем опыте. Дэви посчитал, что последнее было связано с ее постоянным испарением.

Не видя каких-либо явных источников появления в опытах азота, Дэви предположил, что образование азотной кислоты было обязано соединению водорода и кислорода в момент их выделения с азотом воздуха, растворенным в воде. Для подтверждения своей догадки, он проделал тот же опыт под колоколом воздушного насоса, из которого он выкачал воздух (как он пишет сам: осталась лишь 1/64 его первоначального объема). В итоге получились следующие обнадеживающие для него результаты: в катодном сосуде вода вовсе не обнаруживала присутствия щелочи, в анодном сосуде лакмусовая бумажка слабо окрасилась в красный цвет, что свидетельствовало об образовании там небольшого количества кислоты. Казалось, его догадка подтверждалась. Чтобы уже окончательно убедиться в своей правоте, Дэви еще раз повторил свой опыт под колоколом, но теперь уже в атмосфере чистого водорода. При этом для большей чистоты опыта он дважды наполнял колокол водородом, чтобы удалить всякие остатки воздуха. Итоги опыта превзошли все ожидания: ни в одном из сосудов не было обнаружено даже следов щелочи и кислоты. Эти опыты не оставили у Дэви никаких сомнений в том, что образование кислоты и щелочи у электродов — явление случайное и не связано с химическим составом воды, а обязано лишь присутствию воздуха, в котором, как известно, содержится азот. Они убедили не только Дэви, но и многие поколения химиков после него. После этих опытов было уже как бы неприлично возвращаться вновь к вопросу о химическом составе воды — всем все стало ясно.

Вода «под пыткой» у Дэви
А действительно ли в опытах Дэви все было так безукоризненно чисто и хорошо? Рассмотрим опыт Дэви по электролизу воды под колоколом воздушного насоса. Почему в этом опыте образовалось лишь небольшое количество кислоты в анодном сосуде и не было вовсе обнаружено щелочи в сосуде катодном? Действительно ли, как думал Дэви, это было связано с отсутствием воздуха, выкачанного из-под колокола? Отчасти да, но совершенно в другом смысле, нежели он предполагал. Начать с того, что Дэви допустил серьезную ошибку в своем первоначальном предположении, что причиной образования кислоты и щелочи являлся азот воздуха. Образование кислоты и щелочи к азоту воздуха никакого отношения иметь не могло по той простой причине, что азот в обычных условиях химически не активен, не растворяется в воде и не вступает в реакции ни с кислородом, ни с водородом. Один этот факт должен был бы натолкнуть на поиски иных источников образования кислоты и щелочи. Позже, правда, высказывалось предположение, что образование кислоты и щелочи в опытах было, возможно, вызвано присутствием в воздухе некоторого количества аммонийных солей. Этим объяснением и удовлетворились. Однако вряд ли можно всерьез принимать данное объяснение, так как, во-первых, оно было сделано постфактум и, во- вторых, даже если бы какое-то количество таких солей и впрямь присутствовало, то оно настолько должно было быть мало, что не могло оказывать постоянного и закономерного образования кислоты и щелочи в каждом опыте, количество которых стояло, как говорилось, лишь в прямой зависимости от продолжительности проводимых опытов.

Главное, однако, не в этом, а в том, что именно происходило в опытах под колоколом и почему, в отличие от обычных условий, там образовалось лишь небольшое количество кислоты и вовсе не было щелочи. Рассмотрим, прежде всего, возможное влияние на результаты опыта сильно разреженной атмосферы. Известно, что в разреженной атмосфере происходит быстрое выделение из жидкостей растворенных в ней газов и значительно ускоряется процесс ее испарения, причем последний вначале затрагивает более летучие вещества, а затем вещества менее летучие. Естественно предположить, что в опытах Дэви в сильно разреженной атмосфере начался, прежде всего, процесс выделения из раствора летучей щелочи, которая отчасти поэтому и не была обнаружена в катодном сосуде. Затем, поскольку температура кипения азотной кислоты ниже температуры кипения воды, стала также частично испаряться и азотная кислота, образующаяся в анодном сосуде.Этим, однако, побочные влияния на ход опыта не ограничивались. Поскольку при электролизе воды выделяются кислород и водород, причем объем выделяющегося водорода в семь раз превышает объем кислорода, эти газы, и, прежде всего, водород, не могли не оказывать своего влияния на ход опыта. Если в обычных условиях, т.е. не под колоколом, как аммиак, так и водород, образующиеся во время опыта, улетучивались и не влияли на исход опыта, то под колоколом эти вещества собирались в замкнутом пространстве. Аммиак мог при этом частично вступать в реакцию с образующейся азотной кислотой, нейтрализуя какую-то ее часть. Помимо того, и это, может быть, самое главное, водород как сильный восстановитель, собираясь в значительном количестве под колоколом, несомненно оказывал воздействие на весь ход реакции, давая те результаты, которые и были зафиксированы Дэви как окончательные.
Иллюстрация восстановительного действия водорода.
Если, взять два электрода, один из которых представляет полированную серебряную пластинку, а другой — обычную швейную иглу, поместить их под колокол, и в сильно разреженном воздухе пропускать электрический ток так, чтобы электрический разряд переходил с кончика иглы на полированную пластинку, то напротив кончика иглы пластинка заметно изменится — она окислится и потускнеет, и тем больше, чем дольше будет пропускаться электрический ток. Если же после этого воздух заменить разреженным водородом, то при всех прочих равных и неизменных условиях, дальнейшее пропускание тока приведет к тому, что окись на пластинке будет постепенно сходить, и полировка по большей части восстановится, что хорошо иллюстрирует восстанавливающие свойства водорода.

Второй пример из области живой природы. Клод Бернар приводит такой опыт: он смешивал один объем воздуха с двумя объемами водорода и помещал в эту атмосферу семена. При всех прочих благоприятных условиях (влага, тепло и проч.) прорастания семян не происходило, хотя напряжение кислорода при этом было вполне достаточным для жизнедеятельности. Очевидно, что негативный результат был обязан опять-таки действию водорода, оказывавшего сильное восстанавливающее действие, препятствуя течению окислительно-восстановительного процесса, а вместе с ним и образованию его необходимых продуктов — кислоты и щелочи.
Третье: из физической химии хорошо известно, что азотная кислота является легко восстанавливающимся веществом. Она, например, восстанавливается водородом до свободного азота:
2N0₃+ 12Н + 10е—> N₂+ 6Н₂0
Это свойство азотной кислоты специально используется в некоторых гальванических элементах для предотвращения поляризации. В этих случаях азотную кислоту добавляют в катодное отделение, где выделяется водород.
Аналогичные процессы происходили и под колоколом в опытах Дэви. Когда он во втором опыте заменил воздух водородом, то тем самым создал там мощную восстановительную среду, действие которой не преминуло сказаться на результатах: в анодном сосуде естественно не было (и не могло быть) обнаружено кислоты, в катодном — щелочи. Все было естественно и закономерно. Но факт остается фактом: опыты Дэви убедили всех окончательно, что вода состоит из двух простых элементов — водорода и кислорода.

Дэви удалось лишь создать условия, при которых во время электролиза воды не образовывались ни кислота, ни щелочь, которые неизменно образуются внормальных, естественных условиях.
Однако предположим, что вода действительно состоит из водорода и кислорода. Тогда естественно было бы предполагать, что, коль скоро вода с такой легкостью разлагается на свои составные части, она должна столь же легко образовываться в результате их синтеза. Ничего подобного, однако, не происходит. Как известно, смесь двух газов в пропорции один к двум (один объем кислорода и два объема водорода) дает так называемый гремучий газ, но отнюдь не воду. Попытки образования воды из водорода и кислорода имели успех только в присутствии катализатора (кстати, в роли катализатора может при этом выступать и железо, то самое железо, над которым Лавуазье пропускал пары воды и извлекал свои исторические выводы).
Можно сказать, что большинство опытов по определению химического состава воды было направлено не столько на объективные поиски, сколько на подгонку их результатов к уже имеющемуся выводу, который стал поистине символом веры. «Черный ящик» давал в основном ту информацию, которую от него ожидали и которую часто заведомо предопределяли направленным действием на его входы.

Расщепление воды с эффективностью 100%: полдела сделано / Хабр

Если найти дешёвый и простой способ электролиза/фотолиза воды, то мы получим невероятно богатый и чистый источник энергии — водородное топливо. Сгорая в кислороде, водород не образует никаких побочных выделений, кроме воды. Теоретически, электролиз — очень простой процесс: достаточно пропустить электрический ток через воду, и она разделяется на водород и кислород. Но сейчас все разработанные техпроцессы требуют такого большого количества энергии, что электролиз становится невыгодным.

Теперь учёные решили часть головоломки. Исследователи из Технион-Израильского технологического института разработали метод проведения второго из двух шагов окислительно-восстановительной реакции — восстановления — в видимом (солнечном) свете с энергетической эффективностью 100%, значительно превзойдя предыдущий рекорд 58,5%.

Осталось усовершенствовать полуреакцию окисления.

Столь высокой эффективности удалось добиться благодаря тому, что в процессе используется только энергия света. Катализаторами (фотокатализаторами) выступают наностержни длиной 50 нм. Они абсорбируют фотоны от источника освещения — и выдают электроны.

В полуреакции окисления производятся четыре отдельных атома водорода и молекула О₂ (которая не нужна). В полуреакции восстановления четыре атома водорода спариваются в две молекулы H₂, производя полезную форму водорода — газ H₂,

Эффективность 100% означает, что все фотоны, поступившие в систему, участвуют в генерации электронов.

На такой эффективности каждый наностержень генерирует около 100 молекул H₂ в секунду.

Сейчас учёные работают над оптимизацией техпроцесса, который пока что требует щелочной среды с невероятно высоким pH. Такой уровень никак не приемлем для реальных условий эксплуатации.

К тому же, наностержни подвержены коррозии, что тоже не слишком хорошо.

Тем не менее, сегодня человечество стало на шажок ближе к получению неиссякаемого источника чистой энергии в виде водородного топлива.

Научная работа опубликована в журнале Nano Letters (зеркало).

Эффективность электролиза воды увеличена вдвое

Вместе со своей командой Вольфганг Шухманн разрабатывает новые электроды, например, для производства водорода. Кредит: Рубль, Тим Крамер

Исследователи повысили эффективность электролиза воды. Они нанесли слой атомов меди в обычный платиновый электрод. Таким образом, промежуточные продукты реакции могут немного легче десорбироваться с поверхности катализатора. Модифицированная система генерировала вдвое больше водорода, чем платиновый электрод без слоя меди.Команда из Рурского Университета Бохума, Технического университета в Мюнхене и Университета Лейдена опубликовала эти результаты в журнале Nature Communications .

Электролиз воды еще не зарекомендовал себя как метод производства водорода. При этом теряется слишком много энергии. Исследователи удвоили эффективность реакции.

В журнале Nature Communications исследователи из Рурского Университета Бохума, Технического университета Мюнхена и Университета Лейдена сообщают, каким образом можно повысить эффективность электродов для электролиза воды.Обычно платина применяется в качестве катализатора, чтобы ускорить превращение воды в водород и кислород. Чтобы реакция была максимально эффективной, промежуточные соединения не должны прилипать слишком сильно или слишком слабо к поверхности катализатора.

Традиционные электроды слишком сильно связывают промежуточные продукты

Команда, возглавляемая профессором доктором Александром Бондаренко из Департамента физики преобразования и хранения энергии в Мюнхене и профессором доктором Вольфгангом Шуманом из Центра электрохимических наук в Бохуме, рассчитала, насколько прочно промежуточные соединения должны прилипать к электродам, чтобы наиболее эффективно облегчить реакцию.Анализ показал, что традиционные электроды из платины, родия и палладия слишком сильно связывают промежуточные соединения.

Исследователи изменили свойства поверхности платинового катализатора, нанеся слой атомов меди. С этим дополнительным слоем система генерировала вдвое больше водорода, чем с чистым платиновым электродом. Но только если исследователи нанесли слой меди непосредственно под верхний слой атомов платины. Группа заметила еще один полезный побочный эффект: слой меди продлил срок службы электродов, например, сделав их более устойчивыми к коррозии.

Электролиз воды еще не внедрен в больших масштабах

Только четыре процента всего водорода, производимого в мире, является результатом электролиза воды. Поскольку электроды, используемые в процессе, недостаточно эффективны, крупномасштабное применение нерентабельно. «На сегодняшний день водород в основном получают из ископаемого топлива, при этом выделяются большие объемы CO2», — говорит Вольфганг Шуман. «Если бы нам удалось получить водород с помощью электролиза, это было бы огромным шагом в направлении экологически безопасного преобразования энергии.Для этой цели мы могли бы использовать избыточную электроэнергию, например, произведенную с помощью энергии ветра ».

«Кроме того, исследование этой реакции позволяет нам проверить, насколько хорошо мы можем проектировать поверхности катализатора, точно размещая различные атомы металлов», — добавляет Александр Бондаренко. «Знания, которые могут пригодиться во многих других каталитических процессах».

Исследователи разрабатывают высокоэффективные полые медные электроды.

Дополнительная информация:
Якуб Тимочко и др.Ускорение реакции выделения водорода в мембранных электролизерах с полимерным электролитом, Nature Communications (2016). DOI: 10.1038 / NCOMMS10990

Предоставлено
Рур-Университет-Бохум

Цитата :
Удвоение эффективности электролиза воды (10 марта 2016 г.)
получено 23 августа 2020
с https: // физ.org / news / 2016-03 -fficiency-electrolysis.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Электролиз воды — процесс, различные стадии, важные факторы, электролизеры

- Классы
  Класс 1-3
  Класс 4-5
  Класс 6-10
  Класс 11-12
- КОНКУРСНЫЙ ЭКЗАМЕН
  BNAT 000 NC
  000 NC Книги
  Книги NCERT для класса 5
  Книги NCERT для класса 6
  Книги NCERT для класса 7
  Книги NCERT для класса 8
  Книги NCERT для класса 9
  Книги NCERT для класса 10
  Книги NCERT для класса 11
  Книги NCERT для класса 12
  NCERT Exemplar
  NCERT Exemplar Class 8
  NCERT Exemplar Class 9
  NCERT Exemplar Class 10
  NCERT Exemplar Class 11
  NCERT 9000 9000
  NCERT Exemplar Class
  Решения RS Aggarwal, класс 12
  Решения RS Aggarwal, класс 11
  Решения RS Aggarwal, класс 10
  90 003 Решения RS Aggarwal класса 9
  Решения RS Aggarwal класса 8
  Решения RS Aggarwal класса 7
  Решения RS Aggarwal класса 6
  Решения RD Sharma
  RD Sharma Class 6 Решения
  Решения RD Sharma
  Решения RD Sharma Class 8
  Решения RD Sharma Class 9
  Решения RD Sharma Class 10
  Решения RD Sharma Class 11
  Решения RD Sharma Class 12
  PHYSICS
  Механика
  Оптика
  Термодинамика Электромагнетизм
  ХИМИЯ
  Органическая химия
  Неорганическая химия
  Периодическая таблица
  MATHS
  Теорема Пифагора
  0004
  000300030004
  Простые числа
  Взаимосвязи и функции
  Последовательности и серии
  Таблицы умножения
  Детерминанты и матрицы
  Прибыль и убыток
  Полиномиальные уравнения
  Деление фракций
  000
  000
  000
  000
  000
  000 Microology
  000
  000 Microology
  000 BIOG3000
  FORMULAS
  Математические формулы
  Алгебраические формулы
  Тригонометрические формулы
  Геометрические формулы
  КАЛЬКУЛЯТОРЫ
  Математические калькуляторы
  0003000 PBS4000
  000300030002 Примеры калькуляторов химии
  Класс 6
  Образцы бумаги CBSE для класса 7
  Образцы бумаги CBSE для класса 8
  Образцы бумаги CBSE для класса 9
  Образцы бумаги CBSE для класса 10
  Образцы бумаги CBSE для класса 11
  Образцы бумаги CBSE чел. для класса 12
  Вопросный лист предыдущего года CBSE
  Вопросный лист предыдущего года CBSE класс 10
  Вопросный лист предыдущего года CBSE, класс 12
  HC Verma Solutions
  HC Verma Solutions Class 11 Physics
  HC Verma Solutions Class 12 Physics
  Lakhmir Singh Solutions
  .
  Эффективность электролиза воды увеличена вдвое — ScienceDaily
  Исследователи повысили эффективность электролиза воды. Они нанесли слой атомов меди в обычный платиновый электрод. Таким образом, промежуточные продукты реакции могут немного легче десорбироваться с поверхности катализатора. Модифицированная система генерировала вдвое больше водорода, чем платиновый электрод без слоя меди. Команда из Рурского Университета Бохума, Технического университета в Мюнхене и Университета Лейдена опубликовала эти результаты в журнале Nature Communications.
  Электролиз воды еще не зарекомендовал себя как метод производства водорода. При этом теряется слишком много энергии. Исследователи удвоили эффективность реакции.
  В журнале Nature Communications исследователи из Рурского Университета Бохума, Технического университета Мюнхена и Университета Лейдена сообщают, каким образом можно повысить эффективность электродов для электролиза воды. Обычно платина применяется в качестве катализатора, чтобы ускорить превращение воды в водород и кислород.Чтобы реакция была максимально эффективной, промежуточные соединения не должны прилипать слишком сильно или слишком слабо к поверхности катализатора.
  Традиционные электроды слишком сильно связывают промежуточные продукты
  Команда, возглавляемая профессором доктором Александром Бондаренко из Департамента физики преобразования и хранения энергии в Мюнхене и профессором доктором Вольфгангом Шуманом из Центра электрохимических наук в Бохуме, подсчитала, насколько прочно промежуточные соединения должны прилипать к электродам, чтобы наиболее эффективно облегчить реакцию.Анализ показал, что традиционные электроды из платины, родия и палладия слишком сильно связывают промежуточные соединения.
  Исследователи изменили свойства поверхности платинового катализатора, нанеся слой атомов меди. С этим дополнительным слоем система генерировала вдвое больше водорода, чем с чистым платиновым электродом. Но только если исследователи нанесли слой меди непосредственно под верхний слой атомов платины. Группа заметила еще один полезный побочный эффект: слой меди продлил срок службы электродов, например, сделав их более устойчивыми к коррозии.
  Электролиз воды еще не внедрен в больших масштабах
  Только четыре процента всего водорода, производимого в мире, является результатом электролиза воды. Поскольку электроды, используемые в процессе, недостаточно эффективны, крупномасштабное применение нерентабельно. «На сегодняшний день водород в основном получают из ископаемого топлива, при этом выделяются большие объемы CO ₂», — говорит Вольфганг Шуманн. «Если бы нам удалось получить водород с помощью электролиза, это было бы огромным шагом в направлении экологически безопасного преобразования энергии.Для этой цели мы могли бы использовать излишки электроэнергии, например, произведенной с помощью энергии ветра ».
  «Кроме того, исследование этой реакции позволяет нам проверить, насколько хорошо мы можем проектировать поверхности катализатора, точно размещая различные атомы металлов», — добавляет Александр Бондаренко. «Знания, которые могут пригодиться во многих других каталитических процессах».
  История Источник:
  Материалы предоставлены Ruhr-Universitaet-Bochum . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.
  .
  Высокоэффективный недорогой катализатор для электролиза воды
  
  Выделение кислорода на поверхности Co @ NC электрода стержень-оболочка при электролизе щелочной воды. Фото: Институт науки и технологий Тэгу Кёнбук (DGIST)
  Исследовательская группа под руководством профессора Сангараджу Шанмугама из отдела энергетических наук и инженерии в DGIST разработала высокоэффективный, сверхпрочный наноструктурированный электрокатализатор типа ядро-оболочка и успешно заменила ценный анод при электролизе воды благодаря сотрудничеству с исследовательской группой Pacific Northwest National Лаборатория (ПННЛ).
  Замена традиционных видов топлива возобновляемыми источниками энергии является подходящим подходом к созданию экологически чистой окружающей среды и снижению будущих потребностей в энергии. Таким образом, электрохимическая генерация или преобразование энергии в устройствах возобновляемой энергии, которая зависит от анодных и катодных реакций, привлекла большое внимание.
  При электрокаталитическом расщеплении воды на аноде образуется газообразный кислород из-за реакции выделения кислорода (OER), медленной электрохимической реакции по сравнению с реакцией выделения водорода (HER).Таким образом, для стабильного электрокаталитического расщепления воды необходим подходящий электрокатализатор.
  Разработка эффективных, долговечных и недорогих электрокатализаторов на основе ООР важна для энергетических устройств электролизеров воды. До сих пор оксиды рутения и иридия считались современными электрокатализаторами в ООР, но отсутствие стабильности ограничивает их использование в крупномасштабном расщеплении воды, препятствуя широкой коммерциализации.
  Команда профессора Шанмугама вместе с исследователями из PNNL сосредоточила свои усилия на разработке альтернативного недорогого электрокатализатора из неблагородных металлов, который заменит анодный электрод из благородного металла при эффективном разделении воды.Металл на углеродной основе считается эффективным электрокаталитическим материалом для повышения OER при расщеплении воды. До сих пор большинство разработанных электрокатализаторов характеризовалось более высоким содержанием углерода и меньшим удельным содержанием активных металлов. Более высокое количество углерода затопило активные участки реального металла и привело к более быстрой коррозии углерода. Это привело к снижению электрокаталитической активности.
  В ходе исследования исследователи обнаружили, что большое количество неорганических ионов металлического кобальта, соединенных мостиковыми связями органических лигандов в берлинской синей, является подходящим прекурсором для разработки сверхстабильных, богатых металлами, легированных азотом графитовых электрокатализаторов с наноуглеродом и оболочкой. для вялого ООР (анода) при расщеплении воды.
  При нагревании (от 600 до 900 градусов C) в инертной атмосфере ионы металлического кобальта и органические лиганды в соли превращаются в металлический кобальт и легированный азотом тонкий углеродный слой графита, соответственно, которые образуют тонкий углеродный слой, инкапсулированный металлическим , кобальтовые наноструктуры ядро-оболочка (Core-Shell Co @ NC). Тонкие углеродные слои имеют сильное взаимодействие с металлическим кобальтом, что способствует меньшей углеродной коррозии, демонстрирует отличное движение электронов и больше подвержено воздействию металлического кобальта в реакционной среде, включая формирование наноразмерной морфологии без агрегации частиц.
  Комбинированное действие углерода и металлического кобальта в электродах обеспечивает более эффективную электрокаталитическую активность OER, чем электроды из драгоценных металлов, для эффективного разделения воды. Следовательно, электрод, богатый неблагородными металлами, является альтернативным, активным, стабильным и менее дорогим анодом OER для рентабельного производства газа h3 при электролизе воды в промышленных масштабах.
  «Мы ожидаем, что это будет уникальный подход к разработке богатых металлами композитных наноструктур с пониженным содержанием углерода с улучшенными металлическими активными центрами, с защитой тонким углеродным слоем и сверхбыстрым движением электронов на поверхности катализатора, что улучшит электрохимические свойства. активность и стабильность электрокатализаторов », — говорит профессор Шанмугам. «Мы проведем дополнительные исследования, которые могут быть использованы для понимания реального механизма OER на активных частицах в присутствии наноуглеродного покрытия.«
  Этот результат исследования был опубликован в онлайн-издании Advanced Energy Materials 11 января 2018 г., авторитетного международного журнала в области новейших материалов.
  
  Схематическое изображение расщепления воды и возможных движений электронов через слои наноуглерода в одиночном атоме кобальта, захваченном NC. Фото: Институт науки и технологий Тэгу Кёнбук (DGIST)
  Интервью с профессором Сангараджу Шанмугам (Департамент энергетики и инженерии):
  Q.Какие отличия от предыдущих исследований?
  A. В предыдущих исследованиях исследователи получали металлы с углеродным покрытием из различных прекурсоров, включая металлоорганические каркасы (MOF). Полученные катализаторы демонстрируют больше углерода с пониженной графитовой природой, и углерод покрывает центры активного металла. Таким образом, большинство активных металлических центров не используются должным образом в электрохимических реакциях. Кроме того, из-за значительной углеродной коррозии эти катализаторы недостаточно подходят для вялого OER при расщеплении воды при более высоком положительном потенциале с отсутствием нестабильности в жестких условиях электролита.Соответственно, в этой работе мы приготовили богатые металлами, тонкие слои наноуглерода (NC), инкапсулированные электрокатализатором наноструктур Co @ NC ядро-оболочка из единственного аналога-прекурсора берлинского синего (PB). Co @ NC показал повышенную активность выделения кислорода и сверхстабильность на токоприемнике из пены никеля. В целом, тонкие и однородные углеродные слои обеспечивают быстрое движение электронов, использование большего количества активных центров металла с легким проникновением электролита. Что наиболее важно, он может защитить активные участки металла от коррозии с минимальным воздействием, а также сильное взаимодействие между металлическими и углеродными слоями демонстрирует синергетический эффект в отношении превосходной активности и сверхстабильности (более 350 часов) ядра-оболочки Co @ NC. наноструктуры с меньшей вероятностью окисления углерода.
  В. Как это можно использовать?
  A. Благодаря замечательным характеристикам OER, кинетике и долговременной стабильности наноструктур Co @ NC ядро-оболочка по сравнению с современными электрокатализаторами на основе благородных металлов, такими как IrO2 и RuO2, он является наиболее подходящий кандидат для замены электродов OER из драгоценных металлов для снижения общей стоимости системы водного электролизера. Таким образом, разработка эффективного и долговечного электрокатализатора на основе неблагородных металлов в водном электролизере является основным препятствием для успешного коммерческого внедрения водных электролизеров.
  В. Сколько времени потребуется для коммерциализации?
  A. Этот процесс легко доступен для изготовления экономичных катализаторов. Но нам еще предстоит оценить интеграцию этой каталитической системы в мембранный электролизер с полимерным электролитом. Ведутся исследования, чтобы понять механизм OER на этом электрокатализаторе. Так что для коммерциализации может потребоваться год с полным пониманием активности и стабильности.
  Q.Какие проблемы возникают при коммерциализации?
  A. Мы должны обеспечить равномерное покрытие этого катализатора на токосъемниках большего размера без отслаивания. Поэтому нам нужно найти более подходящую методику нанесения покрытия. Также, как и в случае с драгоценными электрокатализаторами OER, мы должны понимать точный механизм OER на этих электрокатализаторах, чтобы поддерживать / избегать потерь активности из-за нежелательных побочных реакций и т. Д.
  В. Какова мотивация вашего исследования?
  А.Основная цель этой работы — заменить драгоценный анод в системах водного электролизера на высокую активность и стабильность. Поэтому для повышения активности и стабильности мы попытались нанести очень тонкое углеродное покрытие на активные центры металла. В целом, разработка богатых металлами и безуглеродных электрокатализаторов OER с надлежащим использованием металл-активных частиц и синергетическим эффектом металл-углерод для преодоления вялой анодной реакции при электролизе воды.
  В. Какой конечной цели вы хотели бы достичь с помощью этого исследования?
  А.Основываясь на этом исследовании, мы понимаем, что богатые металлами электрокатализаторы являются одними из наиболее подходящих материалов для превосходной активности ООР. Поэтому мы хотим приготовить самые дешевые анодные электрокатализаторы, используя ту же методологию, и исключить использование драгоценных электродов в системе водного электролизера для производства экологически чистого и экологически безопасного водорода в больших масштабах.
  Новый материал создает катализаторы топливных элементов за сотую часть стоимости
  Дополнительная информация:
  Арумугам Сиванантам и др., Стабильный графитовый, инкапсулированный в нанокарбоны, обогащенный кобальтом электрокатализатор с сердечником и оболочкой в качестве кислородного электрода в водном электролизере, Advanced Energy Materials (2018).DOI: 10.1002 / aenm.201702838
  Предоставлено
  DGIST
  Ссылка :
  Высокоэффективный недорогой катализатор электролиза воды (14 февраля 2018 г.)
  получено 23 августа 2020
  с https: // физ.org / news / 2018-02-high-efficiency-low-cost -ылa-катализатор-electrolysis.html
  Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет
  часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.
  .