Agua electrolítica AEM

El agua electrolítica AEM se refiere a la tecnología de electrólisis del agua mediante membrana de intercambio aniónico (Anion Exchange Membrane). A continuación, se presenta una introducción detallada:

Principio básico

Función de la membrana y transporte de iones: La membrana de intercambio aniónico es el componente principal de esta tecnología. Tiene la función de permear selectivamente los aniones. En el sistema de agua electrolítica, cuando pasa corriente continua, la membrana de intercambio aniónico permite el paso de iones de hidróxido (OH⁻), mientras que tiene un efecto de bloqueo sobre otros iones. Bajo la acción del campo eléctrico, los iones de hidróxido (OH⁻) en el electrolito pueden pasar a través de la membrana de intercambio aniónico y moverse del lado del cátodo al lado del ánodo, participando así en la reacción del electrodo y manteniendo todo el proceso de electrólisis.
Reacción del cátodo (reacción de reducción): En el cátodo, el agua obtiene electrones para experimentar una reacción de reducción para generar iones de hidrógeno e hidróxido. La fórmula de reacción es: 2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻. Además de agregar parcialmente los iones de hidróxido recién generados al electrolito para mantener el equilibrio de concentración de iones, algunos de ellos migrarán al ánodo a través de la membrana de intercambio aniónico bajo la acción del campo eléctrico.
Reacción del ánodo (reacción de oxidación): En el ánodo, los iones de hidróxido (OH⁻) que migraron desde el lado del cátodo a través de la membrana de intercambio aniónico pierden electrones y experimentan una reacción de oxidación para generar oxígeno y agua. La fórmula de reacción es: 4OH⁻ – 4e⁻ → O₂↑ + 2H₂O. El oxígeno escapa del ánodo en forma de gas y el agua generada se agrega al electrolito en el lado del ánodo para participar en la conducción de iones posterior y otros procesos.
Reacción general de electrólisis del agua: Combinando las reacciones del cátodo y el ánodo, la ecuación de reacción química general también sigue 2H₂O = encendido = 2H₂↑ + O₂↑, es decir, el proceso de descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno en condiciones de encendido, lo cual es consistente con otras tecnologías de electrólisis del agua en los resultados finales de conversión del material.

Características de la membrana de intercambio aniónico (AEM)

Selectividad iónica: Tiene una buena permeabilidad selectiva para los iones de hidróxido (OH⁻), puede bloquear eficazmente los cationes y otros aniones, garantizar que la reacción de electrólisis se lleve a cabo de acuerdo con la ruta de reacción del electrodo establecida y evitar reacciones desordenadas de diferentes iones en la superficie del electrodo, asegurando así la generación y separación eficientes de hidrógeno y oxígeno.
Estabilidad química: Debe tener una cierta estabilidad química y puede existir de manera estable durante mucho tiempo en el entorno del electrolito (que generalmente contiene componentes como una solución alcalina) sin cambios químicos como degradación y disolución, a fin de mantener el funcionamiento continuo y estable del proceso de electrólisis del agua. Por ejemplo, algunos materiales AEM de alto rendimiento pueden mantener un rendimiento estable durante meses o incluso años en condiciones alcalinas fuertes.
Propiedades mecánicas: Debe tener la resistencia y flexibilidad suficientes para adaptarse a los procesos de instalación y operación en el electrolizador, y no se dañará por fuerzas externas como el lavado del electrolito y la extrusión del electrodo, lo que afectará el funcionamiento normal de la electrólisis del agua.

Comparación con otras tecnologías de electrólisis del agua

Comparación con la tecnología de electrólisis del agua alcalina (AWE):
– Similitudes: Ambas funcionan en un entorno de electrolito alcalino y los principios de reacción de los electrodos son similares; ambas utilizan la reacción de oxidación de iones de hidróxido en el ánodo para lograr la electrólisis del agua.
– Diferencias: La tecnología de electrólisis del agua alcalina a menudo utiliza amianto como material de diafragma para separar el hidrógeno y el oxígeno, mientras que la membrana de intercambio aniónico utilizada en la tecnología de electrólisis del agua AEM es más precisa y eficiente en términos de selectividad iónica, y la tecnología de electrólisis del agua AEM puede funcionar teóricamente a una concentración de álcali más baja, lo que reduce algunos riesgos potenciales causados por una alta concentración de álcali (como mayor corrosión, etc.) y, al mismo tiempo, tiene ciertas ventajas en la reducción del volumen del electrolizador y el aumento de la densidad energética.
Comparación con la tecnología de electrólisis de agua con membrana de intercambio de protones (PEMWE):
– Diferencias: PEMWE se basa en la permeación selectiva de protones (H⁺) a través de membranas de intercambio de protones para lograr el proceso de electrólisis, mientras que AEM opera a través de la conducción de iones de hidróxido (OH⁻) a través de membranas de intercambio de aniones; PEMWE generalmente requiere el uso de catalizadores de metales preciosos (como platino, iridio, etc.) para reducir el sobrepotencial de reacción y mejorar la eficiencia de la reacción, y el costo es relativamente alto, mientras que la tecnología de electrólisis de agua AEM puede usar catalizadores de metales no preciosos relativamente baratos porque opera en un entorno alcalino y tiene cierto potencial en el control de costos; además, PEMWE tiene altos requisitos para la calidad del agua, mientras que AEM tiene requisitos relativamente menos estrictos para la calidad del agua de entrada.

Ventajas y perspectivas de aplicación

Ventajas:
– Ventaja de costo: Como se mencionó anteriormente, se pueden utilizar catalizadores de metales no preciosos y materiales de membrana relativamente más fáciles de obtener y de menor costo, lo que se espera que reduzca el costo de todo el sistema de producción de hidrógeno por electrólisis de agua, haciéndolo más competitivo económicamente en escenarios de aplicación de producción de hidrógeno a gran escala.
– Flexibilidad y compatibilidad: Los requisitos de calidad del agua afluente y concentración de electrolitos son relativamente flexibles, lo que lo hace más adaptable a diferentes fuentes de agua cruda y se implementa en algunos entornos industriales más simples, y se puede combinar bien con una variedad de sistemas de generación de energía renovable (como energía solar, energía eólica, etc.) para lograr la producción de hidrógeno verde.
Perspectivas de aplicación: En el campo de la producción de hidrógeno con energía renovable, la tecnología de electrólisis de agua AEM se puede utilizar como un medio eficaz de producción de hidrógeno. Junto con fuentes de energía intermitentes como la energía eólica y la energía fotovoltaica, el exceso de energía eléctrica se puede convertir en energía química (hidrógeno) y almacenar para su posterior utilización energética, como proporcionar combustible de hidrógeno para vehículos de pilas de combustible, o como materia prima en la producción química para participar en la síntesis de amoníaco, la refinación por hidrogenación y otros procesos, para ayudar a la transformación energética y al desarrollo sostenible de la industria química.

Desafíos

Mejora del rendimiento de las membranas: Aunque las membranas de intercambio aniónico se han desarrollado hasta cierto punto, la conductividad iónica de algunos materiales de membrana no es lo suficientemente alta, lo que limita la velocidad de reacción y la eficiencia de la electrólisis del agua. Es necesario seguir desarrollando materiales AEM con mayor conductividad iónica para acelerar la velocidad de migración de iones de hidróxido y mejorar la eficiencia de la producción de hidrógeno.
Durabilidad del catalizador: Aunque se pueden utilizar catalizadores de metales no preciosos, es necesario mejorar la durabilidad y la estabilidad de estos catalizadores durante el funcionamiento a largo plazo. Son propensos a problemas como la reducción de la actividad y la desactivación, que afectan al funcionamiento estable a largo plazo del sistema de electrólisis del agua. Se necesita una investigación profunda para mejorar la estructura y la composición del catalizador para aumentar su durabilidad.
Optimización de la integración del sistema: para lograr el salto del laboratorio a la aplicación industrial a gran escala de la tecnología de electrólisis de agua AEM, se deben resolver muchos problemas en todo el proceso de integración del sistema, como cómo optimizar el diseño del electrolizador, cómo conectar mejor con el sistema de suministro de energía de front-end y el sistema de almacenamiento y aplicación de hidrógeno de back-end, etc., para garantizar el funcionamiento eficiente y estable de toda la cadena industrial de producción de hidrógeno.

En general, la tecnología de electrólisis de agua AEM tiene buenas perspectivas de desarrollo y potencial de aplicación. Con la superación gradual de las dificultades técnicas relacionadas, se espera que desempeñe un papel importante en el futuro campo de producción de hidrógeno verde.

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