فناوری الکترولیز آب قلیایی یا آلکالی (AWE) طی سال‌های اخیر به دلیل افزایش تقاضا هیدروژن سبز و همچنین توسعه انرژی‌های تجدید پذیر، متناسب با نیاز بازار از منظر توسعه تکنولوژی تغییرات قابل توجهی داشته است. این مقاله به مفاهیم اصلی AWE، اجزای مهم مثل دیافراگم‌ها و الکترودها، و همچنین چالش‌ها و پیشرفت‌های جدید در این حوزه می‌پردازد. (برای مطالعه مقاله مروری بر فناوری‌های الکترولیز آب اینجا کلیک کنید)
هیدروژن به عنوان یک منبع انرژی پاک و به‌صرفه، نقش کلیدی در رشد فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر دارد. در میان روش‌های مختلف برای تولید هیدروژن، الکترولیز آب یکی از رایج‌ترین روش‌ها است. الکترولیز آب قلیایی (AWE)، که برای جدا کردن آب به هیدروژن و اکسیژن از الکترولیت‌های قلیایی استفاده می‌کند، یکی از قدیمی‌ترین و محبوب‌ترین تکنولوژی‌ها در این زمینه است. به دلیل ساختار ساده و توانایی تولید در مقیاس بزرگ با هزینه‌های نسبتاً پایین، AWE توجه صنایع مختلف را به خود جلب کرده و به گزینه‌ای محبوب برای تولید هیدروژن تبدیل شده است.
الکترولیز آب قلیایی در ابتدا برای تولید هیدروژن جهت استفاده در فرایندهای صنعتی مانند سنتز آمونیاک توسعه یافت. سیستم‌های اولیه در مقیاس بزرگ (حدود 100 مگاوات) مبتنی بر انرژی برق‌آبی ارزان‌قیمت طراحی شده بودند. در سال‌های اخیر، با افزایش تقاضا برای هیدروژن سبز و تلاش‌های جهانی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، الکترولایزرها مورد توجه قرار گرفته اند و در دهه اخیر ظرفیت الکترولیزرهای AWE افزایش یافته است. به عنوان مثال، در چین ماژول‌های AWE با ظرفیت‌های 2000 تا 3000 نرمال متر مکعب هیدروژن در ساعت توسعه داده شده‌اند.
الکترولیت‌ها و الکترودها در AWE
الکترولیت‌های مورد استفاده در AWE معمولاً شامل محلول‌های قلیایی مانند هیدروکسید پتاسیم (KOH) با غلظت 20 تا 40 درصد وزنی هستند. این محلول‌ها به عنوان محیطی برای انتقال یون‌ها بین الکترودها عمل می‌کنند. در این فرآیند، الکترودهای مبتنی بر نیکل که به عنوان کاتالیزور استفاده می‌شوند، نقش کلیدی در واکنش‌های تولید هیدروژن و اکسیژن ایفا می‌کنند. نیکل به دلیل فعالیت مناسب و هزینه‌های پایین، به‌عنوان یکی از بهترین گزینه‌ها برای الکترودهای قلیایی شناخته شده است.
در سیستم‌های AWE، واکنش تولید هیدروژن (HER [1]) در کاتد و واکنش تولید اکسیژن (OER [2]) در آند انجام می‌شود. به‌طور کلی، کاتالیزگرهای مبتنی بر نیکل برای هر دو واکنش استفاده می‌شوند، اگرچه در برخی موارد، از کاتالیزگرهای حاوی فلزات گرانبها برای بهبود عملکرد استفاده می‌شود. در واکنش OER، اکسیدهای نیکل به دلیل تعادل بین فعالیت و پایداری مورد توجه هستند. مکانیزم واکنش OER شامل مراحل چندگانه‌ای است که به تبدیل یون‌های OH– به مولکول‌های اکسیژن و آب منجر می‌شود.
چالش‌ها و پیشرفت‌های اخیر در AWE
یکی از بزرگترین چالش‌های AWE در شرایط تولید هیدروژن با انرژی تجدیدپذیر، سازگاری سیستم‌ها با تغییرات دینامیک جریان انرژی است. برای مقابله با این چالش، تحقیقات زیادی برای بهبود عملکرد دیافراگم‌ها و الکترودها انجام شده است. دیافراگم‌های مورد استفاده در AWE باید دارای مقاومت یونی پایین، استحکام مکانیکی بالا و قابلیت جلوگیری از عبور گاز را داشته باشند. تحقیقات اخیر بر روی دیافراگم‌های مرکب ساخته شده از موادی مانند پلی‌فنیلن سولفید (PPS [1]) و ترکیبات زیرکونیا (ZrO₂) متمرکز شده‌اند.
برای بهبود عملکرد الکترودها و کاهش اتلاف انرژی، مطالعاتی بر روی کاتالیزگرهای جدید صورت گرفته است. به عنوان مثال، آلیاژهای نیکل-مولیبدن به دلیل فعالیت خوب برای HER در محیط‌های قلیایی مورد بررسی قرار گرفته‌اند. این کاتالیزگرها با اضافه ولتاژ کم و عملکرد بالا، به گزینه‌های مناسبی برای بهبود کارایی الکترودهای AWE تبدیل شده‌اند. همچنین، تحقیقات بر روی آلیاژهای با آنتروپی بالا و مهندسی نانوساختارها برای بهبود مساحت سطح فعال الکتروشیمیایی (ECSA [2]) و افزایش فعالیت ذاتی کاتالیزگرها انجام شده است.
عملکرد الکترودها و افت پتانسیل در سیستم AWE
عملکرد سیستم‌های AWE به‌شدت تحت تأثیر افت پتانسیل یا به اصطلاح پلاریزاسیون قرار دارد که این افت پتانسیل‌ها (پلاریزاسیون یا اورپتانسیل) شامل پلاریزاسیون اهمی، فعال‌سازی و غلظتی هستند که هر کدام از این افت ها در محدوده جریان خاصی اهمیت بیشتری دارند و غالب می شوند و عمدتا دلایل سینتیکی دارند.
در حالت کلی افت پتانسیل به معنای اختلاف بین ولتاژ ایده‌آل و ولتاژ واقعی مورد نیاز برای انجام واکنش‌ها در سیستم الکترولیز است که کاهش این افت پتانسیل‌ها می‌تواند منجر به افزایش کارایی سیستم و کاهش مصرف انرژی شود.شکل زیر یک نمودار از افت پتانسیل موجود در یک سلول الکترولیز آب قلیایی (AWE) را نشان می‌دهد. این نمودار تغییرات ولتاژ در مقابل چگالی جریان را نمایش می‌دهد و انواع افت پتانسیل‌ها از جمله افت پتانسیل اهمی، سینتیکی و عظلتی را در کاتد و آند مشخص می‌کند. با افزایش چگالی جریان، ولتاژ سلولی به دلیل افزایش اضافه‌ولتاژ‌های مختلف افزایش می‌یابد.
مهندسی دیافراگم‌ها و الکترودها
دیافراگم‌ها در AWE نقش حیاتی در جلوگیری از مخلوط شدن گازهای تولید شده در کاتد و آند دارند. دیافراگم‌های مورد استفاده باید ویژگی‌های انتقال یونی خوب و مقاومت مکانیکی بالا داشته باشند. با این حال، افزایش هدایت یونی دیافراگم می‌تواند به کاهش مقاومت مکانیکی آن منجر شود، بنابراین پژوهش‌ها بر روی بهینه‌سازی ترکیب مواد و ساختار این غشاها متمرکز است.
علاوه بر دیافراگم‌ها، الکترودها نیز باید دارای ساختاری بهینه باشند تا انتقال جرم در سطح آن‌ها بهبود یابد و حباب‌های گازی به سرعت از سطح الکترودها جدا شوند. این مسئله در چگالی جریان‌های بالا اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا تشکیل حباب‌های گازی می‌تواند باعث محدودیت در انتقال جرم و کاهش کارایی الکترودها شود. الکترودهای که باعث کاهش چسبندگی حباب‌ها می‌شوند، از جمله راهکارهای پیشنهادی برای بهبود عملکرد AWE هستند.
نقش کاتالیزگرها در واکنش‌های HER و OER
کاتالیزگرها نقشی حیاتی در واکنش‌های HER و OER ایفا می‌کنند. کاتالیزگرهای مبتنی بر نیکل به دلیل قیمت مناسب و عملکرد قابل قبول، به‌طور گسترده‌ای در AWE استفاده می‌شوند. با این حال، تلاش‌هایی برای توسعه کاتالیزگرهای جدید با کارایی بالاتر و هزینه کمتر انجام شده است. فلزات واسطه و آلیاژهای آن‌ها، از جمله آلیاژهای نیکل-مولیبدن، نیتریدها و سولفیدها مورد بررسی قرار گرفته‌اند تا بهبودهایی در واکنش‌های الکترولیز حاصل شود. این تلاش‌ها به منظور کاهش افت پتانسیل و افزایش بازده سیستم‌های AWE انجام می‌شوند.
در حالی که AWE یکی از قدیمی‌ترین فناوری‌های الکترولیز است، همچنان به عنوان یکی از بهترین گزینه‌ها برای تولید هیدروژن سبز در مقیاس بزرگ شناخته می‌شود. پیشرفت‌های اخیر در زمینه دیافراگم‌ها، الکترودها و کاتالیزگرها، چگالی جریان کاری و کارایی این سیستم‌ها را بهبود بخشیده‌اند. با ادامه تحقیقات و توسعه مواد جدید، AWE می‌تواند به‌طور فزاینده‌ای به یک فناوری پیشرو در تولید هیدروژن از منابع انرژی تجدیدپذیر تبدیل شود.
[1] polyphenylene sulfide
[2]ElectroChemically Active Surface Area
[1] Hydrogen Evolution Reaction
[2] Oxygen Evolution Reaction
