Principio de producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua

El principio de producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua se basa en el proceso electroquímico. A continuación, se ofrece una explicación detallada:

1. Conceptos electroquímicos básicos

Antes de comprender el principio de producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua, es necesario dominar varios conceptos electroquímicos clave:

• Electrodo: el proceso de electrólisis se produce en una celda electrolítica. Hay dos electrodos en la celda electrolítica, a saber, el cátodo conectado al polo negativo de la fuente de alimentación y el ánodo conectado al polo positivo de la fuente de alimentación. El electrodo desempeña la función de proporcionar o aceptar electrones en la reacción de electrólisis y es el lugar donde se produce la reacción química.
• Electrolito: para que el agua sea conductora y se someta a la electrólisis sin problemas, se suelen añadir algunos electrolitos al agua. Por ejemplo, las soluciones de hidróxido de potasio (KOH) o hidróxido de sodio (NaOH) se utilizan habitualmente en la electrólisis de agua alcalina para producir hidrógeno, y también hay electrolitos de soporte específicos en la electrólisis de agua con membrana de intercambio de protones para producir hidrógeno. Los iones del electrolito pueden moverse de manera direccional bajo la acción del campo eléctrico, conducir la corriente y garantizar que el proceso de electrólisis continúe.
• Reacción redox: La reacción de electrólisis es esencialmente una reacción redox. La oxidación ocurre en el ánodo y la sustancia pierde electrones; la reducción ocurre en el cátodo y la sustancia gana electrones. Estas dos reacciones de electrodos cooperan entre sí para completar todo el proceso de electrólisis.

2. Principios de las diferentes tecnologías de producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua

• Principio de la electrólisis del agua alcalina (AWE)
  – Comportamiento de los iones y del electrolito: tomando como ejemplo la solución de hidróxido de potasio (KOH), en el agua, el KOH se ioniza completamente para producir iones de potasio (K⁺) e iones de hidróxido (OH⁻). Bajo la acción del campo eléctrico, estos iones pueden moverse libremente, los iones de potasio (K⁺) se mueven hacia el cátodo y los iones de hidróxido (OH⁻) se mueven hacia el ánodo.
  – Reacción del cátodo (reacción de reducción): en el cátodo, el agua obtiene electrones para experimentar una reacción de reducción. Las moléculas de agua (H₂O) se combinan con los electrones migrados desde el electrolito y la fórmula de la reacción es: 2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻. Es decir, después de que cada 2 moléculas de agua ganan 2 electrones, se genera 1 molécula de hidrógeno (H₂) y, al mismo tiempo, se generan 2 iones de hidróxido (OH⁻). El hidrógeno generado escapa del cátodo, mientras que los iones de hidróxido recién generados permanecen en el electrolito para mantener el equilibrio iónico del electrolito.
  – Reacción en el ánodo (reacción de oxidación): En el ánodo, los iones de hidróxido (OH⁻) pierden electrones y experimentan una reacción de oxidación. La fórmula de la reacción es: 4OH⁻ – 4e⁻ → O₂↑ + 2H₂O. Es decir, después de que 4 iones de hidróxido pierden 4 electrones, se generan 1 molécula de oxígeno (O₂) y 2 moléculas de agua (H₂O). El oxígeno escapa del ánodo y las moléculas de agua recién generadas se agregan al electrolito para participar en el ciclo posterior.
  – Reacción global: Combinando las reacciones en el cátodo y el ánodo, la ecuación de reacción global para la producción de hidrógeno por electrólisis alcalina del agua es: 2H₂O = encendido = 2H₂↑ + O₂↑, lo que indica que en condiciones de encendido, el agua se descompone en dos productos gaseosos, hidrógeno y oxígeno.
• Principio de la electrólisis del agua por membrana de intercambio de protones (PEMWE)
  – Función de la membrana de intercambio de protones: La membrana de intercambio de protones es un componente clave de esta tecnología. Tiene una estructura química especial que solo permite el paso de protones (H⁺). En el lado del ánodo, el agua se oxida y se descompone.
  – Reacción del ánodo: El agua sufre una reacción de oxidación en la superficie del ánodo para generar oxígeno, protones (H⁺) y electrones. La fórmula de la reacción es: H₂O – 2e⁻ → 1/2O₂↑ + 2H⁺. El oxígeno generado se descarga desde el ánodo, mientras que los protones pueden migrar al cátodo a través de la membrana de intercambio de protones.
  – Reacción del cátodo: En el cátodo, los protones (H⁺) migrados desde la membrana de intercambio de protones se combinan con electrones para experimentar una reacción de reducción para generar hidrógeno. La fórmula de la reacción es: 2H⁺ + 2e⁻ → H₂↑, y el hidrógeno generado escapa del cátodo.
  – Proceso general: Todo el proceso realiza el proceso ordenado de oxidación del agua en el ánodo para producir oxígeno y protones, y los protones migran al cátodo para su reducción para generar hidrógeno a través de la función de conducción selectiva de protones de la membrana de intercambio de protones. También sigue la reacción general de descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno: 2H₂O = encendido = 2H₂↑ + O₂↑.
• Principio de la electrólisis del agua con óxido sólido (SOEC)
  – Migración de iones a alta temperatura: La electrólisis del agua con óxido sólido para producir hidrógeno se lleva a cabo a temperaturas relativamente altas (generalmente 600℃ – 1000℃), y su electrolito suele ser un material cerámico, como la circona estabilizada con itrio (YSZ). Bajo la acción de la alta temperatura y el campo eléctrico, los iones de oxígeno (O²⁻) en el electrolito tienen la capacidad de migrar y pueden moverse de manera direccional desde el cátodo hasta el ánodo.
  – Reacción del cátodo: En el cátodo, el agua de entrada se combina con iones de hidrógeno que obtienen electrones del circuito externo y iones de oxígeno que migran desde el electrolito para generar hidrógeno. La fórmula de reacción se puede expresar simplemente como: H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + O²⁻.
  – Reacción en el ánodo: En el ánodo, los iones de oxígeno (O²⁻) reaccionan con el agua para generar oxígeno. La fórmula de la reacción es: O²⁻ + H₂O → O₂↑ + 2H⁺, y el oxígeno escapa del ánodo.
  – Manifestación general de la reacción: La coordinación de la reacción lograda por el cátodo y el ánodo en un entorno de alta temperatura con la ayuda de la migración de iones de oxígeno también logra el efecto de la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno bajo potencia, lo que se ajusta a la ley básica de cambio químico de la electrólisis del agua: 2H₂O = potencia activada = 2H₂↑ + O₂↑.

3. Resumen de los puntos clave del principio de producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua

• Independientemente del método de electrólisis del agua para la producción de hidrógeno, el núcleo es utilizar electricidad para impulsar el agua a descomponerse y convertirla en dos gases, hidrógeno y oxígeno. Y todo esto se logra generando hidrógeno a través de una reacción de reducción en el cátodo y generando oxígeno a través de una reacción de oxidación en el ánodo. Sin embargo, las diferentes tecnologías difieren en los materiales de los electrodos, los electrolitos (o electrolitos), las condiciones de reacción, etc., lo que da como resultado diferentes detalles específicos de la reacción del electrodo, pero en última instancia siguen la misma ecuación de reacción química general para lograr el propósito de la producción de hidrógeno.
• En el proceso de electrólisis del agua para la producción de hidrógeno, la energía eléctrica se convierte en energía química. Al controlar razonablemente las condiciones de electrólisis (como la selección del material del electrodo, la concentración del electrolito, la temperatura, la densidad de corriente, etc.), se puede mejorar la eficiencia de la producción de hidrógeno y reducir la pérdida de energía, de modo que este principio se pueda aplicar mejor a la producción real de hidrógeno y satisfacer las necesidades de muchos campos, como la industria energética y química, de hidrógeno de alta pureza.

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