Sản xuất hydro từ nước biển là gì? Tại sao lại có nhiều sự chú ý như vậy? Những khó khăn kỹ thuật là gì?

Tại sao thử nghiệm thí điểm sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân trực tiếp nước biển thành công lại thu hút được nhiều sự chú ý đến vậy? Điều đó khó đến mức nào? Những khó khăn kỹ thuật cần khắc phục để sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân nước biển là gì?

01

Sản xuất hydro từ nước biển

Sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân nước được coi là công nghệ điều chế hydro xanh rất quan trọng. Hiện nay, công nghệ điện phân nước thương mại hóa sử dụng nước ngọt làm chất điện phân. Như chúng ta đã biết, nguồn tài nguyên nước ngọt toàn cầu là vô cùng hạn chế, với việc ứng dụng thủy điện trên quy mô lớn để sản xuất hydro, điều này chắc chắn sẽ làm trầm trọng thêm tình trạng thiếu hụt nguồn nước ngọt. Ngược lại, nước biển rất giàu tài nguyên nên nảy sinh ý tưởng “sản xuất hydro nước biển”.

Không giống như nước ngọt chiếm tới 96,5% tổng lượng nước trên Trái đất, nước biển có thành phần phức tạp bao gồm hơn 90 loại hóa chất và nguyên tố. Một số lượng lớn các ion, vi sinh vật và hạt có trong nước biển có thể dẫn đến các vấn đề như cạnh tranh phản ứng phụ, làm mất hoạt tính chất xúc tác và tắc nghẽn màng ngăn trong quá trình sản xuất hydro.

Để đạt được mục tiêu này, công nghệ sản xuất hydro sử dụng nước biển làm nguyên liệu thô đã hình thành hai con đường khác nhau. Đầu tiên, việc sản xuất hydro trực tiếp từ nước biển, nghĩa là dựa trên nước biển tự nhiên, chủ yếu được tạo ra bằng phương pháp điện phân hoặc quang phân. Thứ hai, sản xuất hydro gián tiếp của nước biển là khử muối và loại bỏ tạp chất khỏi nước biển, khử muối trong nước biển để tạo thành nước ngọt có độ tinh khiết cao trước, sau đó sản xuất hydro.

02

Hai lợi thế lớn

Nền tảng sản xuất hydro ngoài khơi có thể được sử dụng làm nơi lưu trữ năng lượng lâu dài hoặc nơi sản xuất hóa chất tinh khiết, cho phép năng lượng xanh được tích hợp chặt chẽ với các hệ thống sản xuất hóa chất.

Nền tảng sản xuất hydro ngoài khơi có thể giải quyết vấn đề tiêu thụ điện tái tạo trên biển sâu rộng và việc sử dụng điện tái tạo để sản xuất hydro và amoniac xanh tại chỗ có thể trở thành phương pháp ứng dụng chính của năng lượng tái tạo biển sâu rộng trong tương lai.

03

Khó khăn kỹ thuật

Khó khăn kỹ thuật 1: Nhiều tạp chất trong nước biển ảnh hưởng đến quá trình tiến hóa hydro ở catốt

Trong quá trình điện phân nước, H2 được kết tủa từ cực âm, đối với phản ứng tạo ra hydro ở cực âm, vấn đề thách thức nhất là có nhiều cation hòa tan trong nước biển tự nhiên, chẳng hạn như Na+, Mg2+, Ca2+, v.v., ngoài ra, có rất nhiều loại vi khuẩn, vi sinh vật và các hạt nhỏ.

Các tạp chất này sẽ làm tắc nghẽn điện cực trong quá trình điện phân nước biển, từ đó gây độc hoặc đẩy nhanh quá trình lão hóa của điện cực/chất xúc tác trong hệ thống điện phân, dẫn đến độ bền kém.

Khó khăn kỹ thuật 2: Ion clorua gây ăn mòn anốt và ảnh hưởng đến phản ứng tiến hóa oxy ở anốt

Trong quá trình điện phân nước, O2 thường được kết tủa ở cực dương. Tuy nhiên, sự hiện diện của một lượng lớn ion clorua (Cl-) trong nước biển sẽ gây ra sự ăn mòn nghiêm trọng vật liệu cực dương, dẫn đến hư hỏng điện cực và điện áp cao, do đó chấm dứt phản ứng tạo oxy hiệu quả. Ngoài ra, nồng độ ion clorua cao cũng sẽ xảy ra trong phản ứng oxy hóa clo ở anode, chiếm vị trí hoạt động của chất xúc tác, từ đó làm giảm hiệu quả của phản ứng tạo ra oxy ở anode.

Khó kỹ thuật 3: Cạnh tranh giữa phản ứng tiến hóa oxy anốt và phản ứng clo hóa oxy

In the process of seawater electrolysis, the anode will undergo two reactions, namely: oxygen evolution reaction (OER) and oxygen chlorination reaction (ClOR). Oxygen evolution reaction: 4OH-→O2+H2O+4e-; E0=1.23V (vs. RHE)

Phản ứng oxy hóa clo: Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e-; E0=1,71V (so với RHE)

Có thể thấy, E0 của cả hai tương tự nhau sẽ tạo ra mối quan hệ cạnh tranh, hạn chế rất nhiều điện áp làm việc của máy điện phân. Ngoài ra, cả phản ứng ClOR và sự hình thành hypochlorite đều là phản ứng hai electron và phản ứng ClOR dễ thực hiện động học hơn phản ứng bốn electron OER, do đó quá thế OER thường được quan sát là cao hơn ClOR.

04

Tình trạng nghiên cứu

Hiện nay, việc sản xuất hydro từ nước biển vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và thử nghiệm ban đầu và còn gặp nhiều thách thức, nhưng việc nghiên cứu và phát triển sản xuất hydro từ điện phân nước biển đã đạt được một số tiến bộ. Vào năm 2022, nhóm của Viện sĩ Xie Heping đã thực hiện một bước đột phá ban đầu lớn trong lĩnh vực sản xuất hydro trực tiếp từ nước biển, đồng thời thiết lập một cách sáng tạo nguyên lý và công nghệ mới sản xuất hydro trực tiếp từ nước biển mà không cần khử muối nhờ quá trình chuyển pha và di chuyển. Có rất nhiều dự án trình diễn sản xuất hydro nước biển trong và ngoài nước, nhưng vẫn là những dự án thí điểm quy mô nhỏ và hầu hết đều đang được xây dựng hoặc đề xuất.

Mặc dù việc sản xuất hydro bằng điện phân nước biển còn một chặng đường dài từ các thử nghiệm nhỏ và thí điểm đến ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp cuối cùng. Tuy nhiên, chúng tôi tin rằng trong con đường năng lượng hydro cấp nghìn tỷ, nếu công nghệ này cuối cùng được áp dụng, nó sẽ để lại dấu vết sâu sắc nhất trên con đường "khử cacbon"!