Производство водорода и характеристика водородных топливных элементов. Применение адсорбции газа
Водородная энергетика — это чистая энергия, которая способствует переходу от традиционной ископаемой энергии к зеленой энергии. Его энергетическая плотность в 3 раза выше, чем у нефти и в 4,5 раза выше, чем у угля! Это прорывное технологическое направление будущей энергетической революции. Водородный топливный элемент является ключевым средством преобразования водородной энергии в электрическую, и страны по всему миру придают большое значение развитию технологии водородных топливных элементов. Это выдвинуло более высокие требования к материалам, технологическим процессам и средствам определения характеристик цепочки производства водородной энергетики и водородных топливных элементов. Технология газоадсорбции является одним из важных методов определения характеристик поверхности материалов и играет решающую роль в использовании энергии водорода, главным образом в водородных топливных элементах.
Применение технологии адсорбции газа для определения характеристик в промышленности по производству водорода.
Как производить водород — это первый шаг в использовании водородной энергии. Производство водорода из электролитической воды высокой степени чистоты, газа с низким содержанием примесей и легкого сочетания с возобновляемыми источниками энергии считается наиболее перспективным источником экологически чистой водородной энергии в будущем [1].
Для повышения эффективности производства водорода из электролитической воды проверенным способом является разработка и использование высокоэффективных электродных катализаторов HER.
Пористые углеродные материалы, представленные графеном, обладают превосходными физико-химическими свойствами, такими как богатая пористая структура, большая удельная поверхность, высокая электропроводность и хорошая электрохимическая стабильность, что открывает новые возможности для создания эффективных композитных каталитических систем. Способность осаждения водорода повышается за счет загрузки сокатализатора или легирования гетероатомами [2].
Кроме того, большое количество исследований показало, что каталитическая активность электродных катализаторов HER во многом зависит от количества активных центров, открытых на их поверхности, и чем больше активных центров открыто, тем лучше их соответствующие каталитические характеристики. Большая удельная поверхность пористого углеродного материала при использовании в качестве носителя в определенной степени обнажает более активные участки активного материала и ускоряет реакцию образования водорода.
Ниже приведены примеры определения характеристик графеновых материалов с использованием анализатора удельной поверхности и размера пор серии CIQTEK V-Sorb X800. Из рисунка 1 видно, что площадь поверхности графена, полученного разными способами, имеет большую разницу — 516,7 м2/г и 88,64 м2/г соответственно. Исследователи могут использовать результаты теста удельной площади поверхности, чтобы сделать вывод об основной каталитической активности, которая может служить соответствующей ссылкой для приготовления композитных катализаторов.
Рис. 1. Результаты испытаний удельной поверхности графена, синтезированного различными способами.
Кроме того, многие исследователи улучшили электрокаталитическую активность получения водорода из электролитической воды, комбинируя фосфиды переходных металлов, такие как фосфид кобальта, с углеродными материалами с высокой удельной поверхностью. Как показано на рисунке 2, при нанесении фосфида кобальта на пористые углеродные материалы по результатам испытаний БЭТ удельная площадь поверхности композитов углерод/фосфид кобальта может достигать 195,44 м2/г. Высокая удельная площадь поверхности может обеспечить больше активных центров в контакте с электролитом, и в то же время, благодаря умеренной энергии адсорбции и диссоциации кислорода/водорода, он будет проявлять превосходную электрокалитическую активность.
Рис. 2. Результаты испытаний удельной поверхности композитов углерод/фосфид кобальта.
Применение технологии адсорбции газа для определения характеристик в промышленности водородных топливных элементов
Водородный топливный элемент — это устройство для выработки электроэнергии, которое использует водород в качестве топлива и преобразует химическую энергию топлива непосредственно в электричество посредством электрохимической реакции, которая имеет такие преимущества, как высокая эффективность преобразования энергии, нулевой уровень выбросов и отсутствие шума.
Текущие исследования водородных топливных элементов сосредоточены на атаке таких технологий, как протонообменные мембраны, электрокатализаторы и биполярные пластины. В водородном топливном элементе идеальная протонообменная мембрана (PEM) полностью отделяет камеру сгорания, наполненную водородом, от камеры сгорания, наполненной кислородом, позволяя проходить только протонам. Широко используемая в настоящее время изоляция протонообменной мембраны водородного топливного элемента недостаточно хороша, что может частично смешивать водородное топливо с окислителем и, таким образом, ухудшать электрохимические характеристики водородного топливного элемента.
В последние годы большое внимание уделяется изучению ПЭМ, образованных композитом пористого МОФ и полимеров, при котором каркасная структура МОФ может быть модифицирована некоторыми соединениями, облегчающими протонную проводимость, а затем далее изготавливаются сформированные материалы на основе МОФ. в гибридные мембраны на полимерной основе. Высокая удельная поверхность MOF также позволяет разместить больше носителей протонов, что дает возможность увеличить протонную проводимость возможностей композитных мембран. Кроме того, богатая пористая структура MOF способствует построению сетей водородных связей в его порах как эффективного пути транспорта протонов, что, в свою очередь, увеличивает подвижность активных протонов [3].
На рисунке 3 показан пример определения характеристик MOF-композитов с использованием анализатора удельной поверхности и размера пор серии V-Sorb X800 собственной разработки GSI.
Рис. 3 (а) Результаты теста БЭТ; (б) Изотерма адсорбции-десорбции N2
Рисунок 3(а) демонстрирует БЭТ композитов MOF при 1242,58 м2/г. Рисунок 3(b) Изотермы адсорбции-десорбции N2 близки к изотермам класса I, что указывает на более обильную микропористую структуру. В сочетании с анализом диаграммы распределения пор по размерам рисунок 4 (а) показывает, что на диаграмме распределения пор по размерам BJH нет очевидной тенденции к концентрированному распределению, что указывает на отсутствие концентрированного распределения мезопористых пор по размерам. На рис. 4(b) распределение пор по размерам SF показывает, что имеется концентрированное распределение микропор около 0,57 нм, что указывает на то, что наиболее доступный размер пор составляет 0,57 нм.
Рис. 4 (а) Распределение пор по размерам BJH-адсорбции; (б) Распределение пор по размерам адсорбции SF
Кроме того, в батарее водородных топливных элементов процесс реакции окисления водорода и реакции восстановления кислорода на электроде в основном контролируется катализатором. Катализатор является основным фактором, влияющим на активационную поляризацию водородных топливных элементов, и считается ключевым материалом для водородных топливных элементов, определяющим общую производительность и экономичность использования транспортных средств на водородных топливных элементах [4]. Платина является одним из наиболее часто используемых катализаторов для топливных элементов, но более высокая стоимость ограничивает ее широкомасштабное использование. Тот же пористый углеродный материал, представленный графеном, также может быть использован в качестве носителя электрокатализатора для водородных топливных элементов. Благодаря наличию на поверхности неплатиновых катализаторов его каталитическая эффективность при производстве водорода может соответствовать или превосходить эффективность традиционных катализаторов на основе платины, что помогает расширить масштабы применения водородных топливных элементов.
CIQTEK Автоматический анализатор площади поверхности и порометрии BET серии CIQTEK EASY-V
Автоматический анализатор площади поверхности и порометрии CIQTEK BET. Серия CIQTEK EASY-V использует принцип тестирования методом статического объема с полностью автоматизированной работой, гуманизированным рабочим интерфейсом и простым в освоении.
Использованная литература:
[1] Ван П., Ци Дж, Чен X и др. Трехмерные гетероструктурные массивы двойных гидроксидов NiCoP @ NiMn, нанесенные на пену Ni в качестве бифункционального электрокатализатора для общего расщепления воды [J]. Прикладные материалы и интерфейсы ACS, 2019, 12(4): 4385-4395.
[2] Хуан Х., Ши Х., Дас П. и др. Химия и перспективные применения графена и пористых графеновых материалов[J]. Передовые функциональные материалы, 2020, 30(41): 1909035.
[5] Чен Дж., Мэй К., Чен Ю. и др. Высокоэффективная протонная проводимость в металлоорганическом каркасном материале МФМ-300(Cr)·SO4(H3O)2[Дж]. Журнал Американского химического общества, 2022, 144(27): 11969-11974.
[6] Лю, Инду, Го, Хунся, Оуян, Сяопин. Текущее состояние и будущие перспективы развития технологии водородных топливных элементов[J]. Китайские инженерные науки, 2021.
EASY-V 1440 — это прибор для анализа удельной поверхности и размера пор BET, разработанный независимо CIQTEK с использованием статического объемного метода. ▪ Проверка удельной площади поверхности, диапазон 0,0005 (м 2 /г) и выше. ▪ Анализ размера пор: 2–500 нм. ▪ Четыре станции анализа, одновременное тестирование 4 проб. ▪ Оборудован двухступенчатым вакуумным насосом.
Узнать большеEASY-V 3440 — это прибор для анализа удельной поверхности и размера пор BET, разработанный независимо CIQTEK с использованием статического объемного метода . ▪ Проверка удельной площади поверхности, диапазон 0,0005 (м 2 /г) и выше. ▪ Анализ размера пор: 0,35–2 нм (микропоры), анализ распределения микропор по размерам; 2–500 нм (мезопоры или макропоры). ▪ Четыре станции анализа, одновременное тестирование 4 проб. ▪ Оборудован молекулярным насосом.
Узнать большеАнализаторы адсорбции газа под высоким давлением и высокой температурой EASY-H 1210 и EASY-H 1420 представляют собой высокопроизводительные инструменты для тестирования изотерм адсорбции и десорбции, независимо разработанные компанией CIQTEK, которая использует статический объемный метод. Диапазон изотермических температур и давлений может быть проверен для удовлетворения потребностей многих областей исследований. Продукт имеет функцию адсорбционного испытания при высокой температуре и высоком давлении, а также уникальную платформу изотермы PCT и давления абсорбции и десорбции водорода, которая может широко использоваться в промышленности по хранению водорода из редкоземельных сплавов, сланцевом газе и исследованиях адсорбции метана из угольных пластов, разведка нефти и газоразделение и другие месторождения; это также важно для понимания адсорбционных характеристик некоторых адсорбционных материалов, таких как катализаторы, молекулярные сита и активированный уголь, исследования топливных элементов, углеродных нанотрубок и графена.
Узнать большеАнализаторы адсорбции газа под высоким давлением и высокой температурой EASY-H 2210 и EASY-H 2420 представляют собой высокопроизводительные инструменты для тестирования изотерм адсорбции и десорбции, независимо разработанные компанией CIQTEK, которая использует статический объемный метод. Анализаторы адсорбции газа под высоким давлением и высокой температурой EASY-H 2210 и EASY-H 2420 представляют собой высокопроизводительные инструменты для тестирования изотерм адсорбции и десорбции, независимо разработанные компанией CIQTEK, которая использует статический объемный метод.
Узнать больше