Водород

Aenert. Research Laboratory news
В свете растущего спроса на энергию и изменения климата использование энергии из различных источников энергии будет становиться все более важным. Среди этих альтернативных методов производства энергии выделяются электрохимические процессы, такие как электролиз воды, поскольку, с одной стороны, они используют электричество, а не химические вещества, а с другой стороны, могут реагировать на колебания электропитания, соединяя электрохимические процессы в в случае избытка электроэнергии или путем их отключения в случае нехватки электроэнергии. Электролиз воды генерирует водород, который является гибким источником энергии и играет важную роль в любом энергетическом сценарии, связанном с энергетическим переходом.

Now (2023), Fraunhofer IMM строит электрохимические микрореакторы, также известные как «проточные ячейки», которые можно использовать в процессах экологически чистого синтеза, таких как электросинтез. Реакторы играют важную роль в разработке и проверке различных процессов синтеза в лабораторных масштабах, чтобы затем синтез можно было перевести в пилотный масштаб. В сотрудничестве с компанией hte GmbH из Гейдельберга компания Fraunhofer IMM разработала модульную и гибкую концепцию электрохимической проточной ячейки, которую они используют для задач высокопроизводительного скрининга в электрокатализе.

В базовой концепции реактора применяется конструкция пакета пластин. Единая электрохимическая ячейка состоит из набора электродных пластин и других компонентов. Стек состоит либо из одной ячейки для индивидуальной работы, либо из набора ячеек, которые могут работать параллельно, последовательно или и то, и другое. Режим параллельной работы особенно подходит для задач досмотра. Таким образом, изучить влияние материала мембраны на электрохимический процесс легко, поскольку в каждую из электрохимических ячеек в стопке могут быть установлены разные мембраны, которые в остальном одинаковы. В результате можно определить и использовать лучшую мембрану для данного процесса. Реактор допускает огромное количество вариантов ячеек, а это означает, что, например, можно модифицировать и тестировать различные мембранные материалы и электрокатализаторы.

Первоначальный прототип модуля скрининга с четырьмя параллельно расположенными электрохимическими ячейками был построен и в настоящее время проходит валидацию. В случае успеха эту модель можно расширить до 16 параллельных ячеек. Многочисленные конфигурации реакторов позволяют адаптировать скрининговую платформу к различным областям применения. Таким образом, помимо электролиза воды можно рассматривать и другие задачи, такие как производство активных фармацевтических ингредиентов или разложение отходов при очистке сточных вод.

Ученые уже несколько лет изучают различные способы экологически чистого производства водорода. В 2011 году был разработан электрохимический микрореактор, в котором можно проводить электрохимические реакции в потоке. Он имел два алюминиевых корпуса (диаметр 50 мм, высота 25 мм). Электроды были изготовлены из двух пластин из ПТФЭ (диаметр 35 мм, высота 4 мм) с прикрепленными к ним электродами из платиновой фольги толщиной 0,1 мм. Провода для подключения к потенциостату проложены внутри ПФТЭ пластины под платиной. В конструкции использовался небольшой зазор между электродами, позволяющий избежать необходимости использования электролитов, и простая установка. Электроды были разделены фольгой ФЭП (фторированный этиленпропилен) переменной толщины, в которой был вырезан прямоугольный реакционный канал (3 × 30 мм), что дало общий объем канала 23 мкл (фольга ФЭП толщиной 254 мкм). и все устройство скрепляется стальными винтами и барашковыми гайками. В ходе реакции после проведения некоторых первоначальных тестовых реакций были синтезированы соединения диарилиодония.

В качестве тестовых реакций электрохимического микрореактора использовались известные электрохимические реакции. Окислительное метоксилирование фурана 4 в метаноле с продуктом, полученным в соотношении син:анти примерно 1:1, показало, что наша система удовлетворительно функционирует для электрохимических реакций. Полная конверсия была достигнута, как установлено ГХ/МС.

Image: Electrochemical microreactor


Source: Kevin Watts, William Gattrell, Thomas Wirth/ A practical microreactor for electrochemistry in flow/ Beilstein Journal of Organic Chemistry 7(1):1108-14, August 2011/ DOI:10.3762/bjoc.7.127/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Attribution 2.0 Generic (CC BY 2.0)

В 2023, ученые сообщили о совместном электролизе морской воды и углекислого газа (CO₂) в безмембранном микрофлюидном реакторе, интегрированном в солнечную батарею, для непрерывного синтеза органических продуктов. Реактор был сконструирован с использованием полидиметилсилоксановой подложки, состоящей из центрального микроканала с парой входов для ввода газа CO₂ и морской воды и выходом для удаления органических продуктов. В микроканале была установлена пара медных электродов для обеспечения немедленного взаимодействия с поступающим газом CO₂ и морской водой, проходящей через микроканал. Соединение панелей солнечных батарей с электродами создавало высокоинтенсивное электрическое поле на электродах при низком напряжении, вызывающее совместный электролиз CO₂ и морской воды. Парный электролиз газа CO₂ и морской воды позволил получить ряд промышленно важных органических веществ под воздействием внешнего электрического поля, создаваемого солнечными батареями. Синтезированные органические соединения собирали в дальнейшем и идентифицировали с использованием методов определения характеристик. Кроме того, были проанализированы возможные механизмы электрохимических реакций вблизи электродов для синтеза органических продуктов. Было обнаружено, что включение парникового газа CO₂ в качестве реагента, морской воды в качестве электролита и солнечной энергии в качестве недорогого источника электроэнергии для инициирования совместного электролиза способствует экономичности и устойчивости микрореактора для секвестрации CO₂ и синтеза органических соединений.

Image: Schematic illustration of the experimental set-up showing microreactor for  CO₂-sequestration. The microreactor has two inlets perpendicular to each other, one for seawater connected to the syringe pump operating at a constant flow-rate (Qw = 3 mL/min) and another for injection of gaseous  CO₂ from a pure  CO₂ gas cylinder with a mass flow meter operating at a constant flow-rate (Qg = 3 mL/min). The integrated Cu electrodes are positioned perpendicular to the gas–liquid flow and connected to a solar panel circuitry. The microreactor operates under sunlight and the organic products are collected at downstream of microchannel



Source: Saptak Rarotra, Saptak Rarotra, Tapas Kumar Mandal & Dipankar Bandyopadhyay/ Co-electrolysis of seawater and carbon dioxide inside a microfluidic reactor to synthesize speciality organics/ Scientific Reports volume 13, Article number: 10298 (2023), 26 June 2023/ doi.org/10.1038/s41598-023-34456-6/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Реакторное устройство имеет несколько преимуществ: Параллельное тестирование, обеспечиваемое новыми электрохимическими проточными ячейками, может ускорить проверку катализаторов до четырех раз по сравнению с классическими подходами. Благодаря модульной конструкции ячейки можно использовать и для других процессов. Таким образом, существующая конструкция ячейки позволяет создавать различные конфигурации реакторов, например, с различным расстоянием между электродами, что иллюстрирует широкий спектр возможных применений. Кроме того, помимо электролиза воды можно рассматривать и другие задачи, такие как производство активных фармацевтических ингредиентов или разложение отходов при очистке сточных вод. Реактор может быть использован для определения наилучшего способа оптимизации процесса электролиза воды. Еще одним полезным применением может быть определение того, какие электрокатализаторы и мембраны повышают эффективность процесса.

В целом, масштабируемые электрохимические микрореакторы можно адаптировать таким образом, чтобы их можно было использовать для решения различных типов задач. Возможно, по этой причине электрохимия в настоящее время переживает большой подъем, вызванный поиском экологически чистых процессов синтеза и усилиями по прямому использованию (избыточной) устойчиво генерируемой энергии.

Редакционный совет