पानी का इलेक्ट्रोलिसिस

पानी का इलेक्ट्रोलीज़, जिसे इलेक्ट्रोकेमिकल जल विभाजन के रूप में भी जाना जाता है, इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा ऑक्सीजन और ऑक्सीहाइड्रोजेन गैस में पानी के विभाजन के लिए बिजली का उपयोग करने की प्रक्रिया है।इस तरह से जारी हाइड्रोजन गैस का उपयोग हाइड्रोजन ईंधन के रूप में किया जा सकता है, या ऑक्सीजन गैस बनाने के लिए ऑक्सीजन के साथ रीमिक्स किया जाता है, जिसका उपयोग वेल्डिंग और अन्य अनुप्रयोगों में किया जाता है।

पानी के इलेक्ट्रोलिसिस के लिए 1.23 वाल्ट के न्यूनतम संभावित अंतर की आवश्यकता होती है, हालांकि उस वोल्टेज में बाहरी गर्मी की भी आवश्यकता होती है।व्यावहारिक परिस्थितियों में, लगभग 1.5 वोल्ट की आवश्यकता होती है।इलेक्ट्रोलिसिस का उपयोग शायद ही कभी औद्योगिक अनुप्रयोगों में किया जाता है क्योंकि जल -ईंधन जीवाश्म ईंधन से कम महंगा रूप से उत्पादित किया जा सकता है।

इतिहास
1789 में, जन रुडोल्फ डिमान और एड्रियन पेट्स वैन ट्रूस्टविजक ने बिजली बनाने के लिए एक इलेक्ट्रोस्टैटिक मशीन का इस्तेमाल किया, जिसे पानी के साथ लेडेन जार में सोने के इलेक्ट्रोड पर छुट्टी दे दी गई थी। 1800 में एलेसेंड्रो वोल्टा ने वोल्टिक ढेर का आविष्कार किया, और कुछ हफ्तों बाद अंग्रेजी वैज्ञानिक विलियम निकोलसन (केमिस्ट) और एंथनी कार्लिसल ने इसका इस्तेमाल इलेक्ट्रोलाइसे पानी में किया।1806 में हम्फ्री डेवी ने व्यापक डिस्टिल्ड वाटर इलेक्ट्रोलिसिस प्रयोगों के परिणामों की सूचना दी, यह निष्कर्ष निकाला कि नाइट्रिक एसिड को विघटित वायुमंडलीय नाइट्रोजन गैस से एनोड पर उत्पादित किया गया था।उन्होंने एक उच्च वोल्टेज बैटरी और गैर-प्रतिक्रियाशील इलेक्ट्रोड और जहाजों जैसे कि सोने के इलेक्ट्रोड शंकु का उपयोग किया, जो कि डंप एस्बेस्टोस द्वारा पपड़ी वाले जहाजों के रूप में दोगुना हो गया। Zénobe Gramme ने 1869 में Gramme मशीन का आविष्कार किया, जिससे इलेक्ट्रोलिसिस हाइड्रोजन उत्पादन के लिए एक सस्ता तरीका बन गया।इलेक्ट्रोलिसिस के माध्यम से हाइड्रोजन और ऑक्सीजन के औद्योगिक संश्लेषण की एक विधि 1888 में दिमित्री लाचिनोव द्वारा विकसित की गई थी।

सिद्धांत
एक डीसी विद्युत शक्ति स्रोत दो इलेक्ट्रोड, या दो प्लेटों (आमतौर पर एक अक्रिय धातु जैसे प्लैटिनम या इरिडियम से बनाई गई) से जुड़ा होता है जो पानी में रखे जाते हैं।हाइड्रोजन कैथोड में दिखाई देता है (जहां इलेक्ट्रॉन पानी में प्रवेश करते हैं), और एनोड पर ऑक्सीजन। आदर्श फ़ारडिक दक्षता को मानते हुए, उत्पन्न हाइड्रोजन के पदार्थ की मात्रा ऑक्सीजन की मात्रा से दोगुनी है, और दोनों समाधान द्वारा संचालित कुल विद्युत आवेश के लिए आनुपातिकता (गणित) हैं। हालांकि, कई कोशिकाओं में इलेक्ट्रोलिसिस#समाधान इलेक्ट्रोलिसिस में आधी प्रतिक्रियाएं होती हैं, जिसके परिणामस्वरूप अतिरिक्त उत्पाद होते हैं और आदर्श फ़ारडिक दक्षता से कम होता है।

शुद्ध पानी के इलेक्ट्रोलिसिस को विभिन्न सक्रियण बाधाओं को दूर करने के लिए ओवरपोटेंशियल के रूप में अतिरिक्त ऊर्जा की आवश्यकता होती है।अतिरिक्त ऊर्जा के बिना, इलेक्ट्रोलिसिस बहुत धीरे -धीरे होता है या बिल्कुल नहीं।यह पानी के सीमित स्व-आयोजन के कारण भाग में है।शुद्ध पानी में समुद्री जल के बारे में एक-मिलियन के बारे में एक विद्युत चालकता होती है।कई [[इलेक्ट्रोलाइटिक कोशिका]]ओं में अपेक्षित विद्युत उत्प्रेरक की कमी होती है।एक इलेक्ट्रोलाइट (जैसे कि एक नमक (रसायन विज्ञान), एक अम्ल या एक आधार (रसायन विज्ञान)) और इलेक्ट्रोकैटलिस्ट के अलावा दक्षता बढ़ जाती है।

समीकरण
नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए कैथोड में शुद्ध पानी में, एक रेडोक्स प्रतिक्रिया होती है, इलेक्ट्रॉनों के साथ (ई)हाइड्रोजन गैस बनाने के लिए हाइड्रोजन उद्धरणों को दिए जा रहे कैथोड से -)।एसिड के साथ संतुलित आधी प्रतिक्रिया, है:


 * कैथोड में कमी:

2 एच+ (जलीय घोल) + 2e - → एच2(गैसीय)

सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए एनोड में, एक रेडॉक्स प्रतिक्रिया होती है, ऑक्सीजन गैस उत्पन्न करती है और सर्किट को पूरा करने के लिए एनोड को इलेक्ट्रॉनों को देती है:


 * एनोड पर ऑक्सीकरण: 2 एच2ओ (तरल) → ओ2(छ) + 4 घंटे+ (aya) + कि -

नीचे सूचीबद्ध के रूप में समान आधे-प्रतिक्रियाओं को आधार के साथ संतुलित किया जा सकता है।सभी आधे-प्रतिक्रियाओं को एसिड या आधार के साथ संतुलित नहीं किया जाना चाहिए।कई लोग करते हैं, जैसे कि ऑक्सीकरण या यहां सूचीबद्ध पानी की कमी।आधी प्रतिक्रियाओं को जोड़ने के लिए दोनों को एसिड या आधार के साथ संतुलित होना चाहिए।एसिड-संतुलित प्रतिक्रियाएं अम्लीय (कम पीएच) समाधानों में प्रबल होती हैं, जबकि आधार-संतुलित प्रतिक्रियाएं बुनियादी (उच्च पीएच) समाधानों में प्रबल होती हैं।

या तो आधा प्रतिक्रिया जोड़ी के संयोजन से ऑक्सीजन और हाइड्रोजन में पानी के समान समग्र अपघटन होता है:


 * समग्र प्रतिक्रिया: 2 एच2ओ (एल) → 2 एच2(छ) + ओ2(जी)

उत्पादित हाइड्रोजन अणुओं की संख्या इस प्रकार ऑक्सीजन अणुओं की संख्या से दोगुनी है।दोनों गैसों के लिए समान तापमान और दबाव मानते हुए, उत्पादित हाइड्रोजन गैस, इसलिए, उत्पादित ऑक्सीजन गैस की मात्रा से दोगुना है।पानी के माध्यम से धकेल दिए गए इलेक्ट्रॉनों की संख्या उत्पन्न हाइड्रोजन अणुओं की संख्या से दोगुनी होती है और उत्पन्न ऑक्सीजन अणुओं की संख्या से चार गुना होती है।

थर्मोडायनामिक्स
तापमान और दबाव के लिए मानक स्थितियों पर हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में शुद्ध पानी का अपघटन ऊष्मारसायन के संदर्भ में अनुकूल नहीं है।

इस प्रकार, पानी के इलेक्ट्रोलिसिस सेल की मानक क्षमता (ई)undefined] = 1.0 मीटर)।25 & nbsp; ° C पीएच 7 के साथ ([एच)+] = 1.0 एम), क्षमता नर्नस्ट समीकरण के आधार पर अपरिवर्तित है।थर्मोडायनामिक मानक सेल क्षमता को ° ° खोजने और फिर समीकरण का उपयोग करने के लिए मानक-राज्य मुक्त ऊर्जा गणना से प्राप्त किया जा सकता है: ° ° = −N F e ° (जहां E ° सेल क्षमता है और Faday स्थिरांक है, अर्थात् 96,485.3321233 c/ c/ c/ c/ c/ c/ c/ c/ c/ c/ c/ c/ c/ c/ c/ c/ c/मोल)।दो पानी के अणुओं के लिए इलेक्ट्रोलाइज्ड और इसलिए दो हाइड्रोजन अणुओं का गठन किया गया, n = 4, और ° ° = 474.48 kJ/2 mol (पानी) = 237.24 kJ/mol (पानी), और ΔS ° = 163 j/k mol (पानी), पानी, पानी, पानी),और = H ° = 571.66 kJ/2 mol (पानी) = 285.83 kJ/mol (पानी), और अंत में 141.86 mJ/kg (h (h2)।हालांकि, व्यक्तिगत इलेक्ट्रोड संतुलन क्षमता के बारे में गणना के लिए गतिविधि गुणांक को ध्यान में रखते हुए कुछ सुधारों की आवश्यकता होती है। व्यवहार में जब एक इलेक्ट्रोकेमिकल सेल को उचित क्षमता को लागू करके पूरा करने की ओर संचालित किया जाता है, तो इसे काइनेटिक रूप से नियंत्रित किया जाता है।इसलिए, सक्रियण ऊर्जा, आयन गतिशीलता (प्रसार) और एकाग्रता, तार प्रतिरोध, बुलबुला गठन सहित सतह बाधा (इलेक्ट्रोड क्षेत्र रुकावट का कारण बनता है), और एन्ट्रापी, इन कारकों को दूर करने के लिए अधिक से अधिक लागू क्षमता की आवश्यकता होती है।संभावित आवश्यक में वृद्धि की मात्रा को ओवरपोटेंशियल कहा जाता है।

इलेक्ट्रोलाइट
शुद्ध पानी में इलेक्ट्रोलिसिस एच/एच को कम करता हैकैथोड में + cations और हाइड्रॉक्साइड (OH (OH) का उपभोग/ऑक्सीकरण करता हैएनोड पर -) आयनों।इसे पानी में एक पीएच संकेतक जोड़कर सत्यापित किया जा सकता है: कैथोड के पास पानी बुनियादी है जबकि एनोड के पास पानी अम्लीय है।हाइड्रॉक्साइड ओह- जो कि एनोड को ज्यादातर सकारात्मक हाइड्रोनियम आयनों के साथ जोड़ते हैं3O+) पानी बनाने के लिए।सकारात्मक हाइड्रोनियम आयन जो कैथोड के पास पहुंचते हैं, वे ज्यादातर पानी बनाने के लिए नकारात्मक हाइड्रॉक्साइड आयनों के साथ संयोजन करते हैं।अपेक्षाकृत कम हाइड्रोनियम/हाइड्रॉक्साइड आयन कैथोड/एनोड तक पहुंचते हैं।यह दोनों इलेक्ट्रोड पर overpotential का कारण बन सकता है।

शुद्ध पानी में अर्धचालक के समान एक चार्ज वाहक घनत्व होता है चूंकि इसमें पानी का कम स्व-आयोजन होता है, kw = 1.0 × 10कमरे के तापमान पर −14 और इस प्रकार शुद्ध पानी वर्तमान खराब, 0.055, s · सेमी का संचालन करता है−1। जब तक कि शुद्ध पानी के पानी के इलेक्ट्रोलिसिस के ऑटोइनाइजेशन को बढ़ाने के लिए एक बड़ी क्षमता लागू नहीं की जाती है, तब तक समग्र चालकता द्वारा बहुत धीरे -धीरे सीमित हो जाता है।

एक पानी में घुलनशील इलेक्ट्रोलाइट काफी चालकता बढ़ा सकता है।इलेक्ट्रोलाइट उद्धरणों और आयनों में डिस्सासोसेट्स;आयनों ने एनोड की ओर भागा और सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए एच के बिल्डअप को बेअसर कर दिया+ वहाँ;इसी तरह, उद्धरण कैथोड की ओर भागते हैं और नकारात्मक चार्ज किए गए ओएच के बिल्डअप को बेअसर करते हैं- वहाँ।यह बिजली के निरंतर प्रवाह की अनुमति देता है। इलेक्ट्रोलाइट से आयनों ने एक इलेक्ट्रॉन छोड़ने के लिए हाइड्रॉक्साइड आयनों के साथ प्रतिस्पर्धा की।हाइड्रॉक्साइड की तुलना में कम मानक इलेक्ट्रोड क्षमता वाला एक इलेक्ट्रोलाइट आयनों को हाइड्रॉक्साइड के बजाय ऑक्सीकरण किया जाएगा, जिससे कोई ऑक्सीजन गैस नहीं होगी।इसी तरह, हाइड्रोजन आयन की तुलना में अधिक मानक इलेक्ट्रोड क्षमता वाला एक उद्धरण हाइड्रोजन के बजाय कम हो जाएगा।

विभिन्न उद्धरणों में एच की तुलना में कम मानक इलेक्ट्रोड क्षमता होती है+ और इसलिए इलेक्ट्रोलाइट उद्धरणों के रूप में उपयोग के लिए उपयुक्त हैं: लिथियम+, रूबिडीयाम+, पोटैशियम+ , cesium +, बेरियम2+, स्ट्रोंटियम2+, कैल्शियम2+, सोडियम+, और मैगनीशियम2+।सोडियम और लिथियम आम विकल्प हैं, क्योंकि वे सस्ती, घुलनशील लवण बनाते हैं।

यदि एक एसिड का उपयोग इलेक्ट्रोलाइट के रूप में किया जाता है, तो cation h है+, और एच के लिए कोई प्रतियोगी नहीं+ पानी को अलग करके बनाया जाता है।सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला आयनों सल्फेट है, क्योंकि ऑक्सीकरण करना मुश्किल है।इस आयन के ऑक्सीकरण के लिए पेरोक्सीडिसल्फेट आयन के लिए मानक क्षमता +2.010 वोल्ट है। सल्फ्यूरिक एसिड जैसे मजबूत एसिड (एच)2इसलिए4), और मजबूत ठिकानों जैसे कि पोटेशियम हाइड्रोक्साइड (KOH), और सोडियम हाइड्रॉक्साइड (NAOH) उनकी मजबूत संचालन क्षमताओं के कारण इलेक्ट्रोलाइट्स के रूप में सामान्य विकल्प हैं।

एक ठोस बहुलक इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग NAFION के रूप में किया जा सकता है और जब झिल्ली के प्रत्येक तरफ एक विशेष उत्प्रेरक के साथ लागू किया जाता है, तो पानी के अणु को 1.5 & nbsp के रूप में कम से कम विभाजित कर सकता है;वोल्ट्स।कई वाणिज्यिक इलेक्ट्रोलिसिस सिस्टम ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग करते हैं।

शुद्ध पानी इलेक्ट्रोलिसिस
इलेक्ट्रोलाइट-मुक्त शुद्ध जल इलेक्ट्रोलिसिस को डीप-सब-डेबी-लंबाई नैनोगैप इलेक्ट्रोकेमिकल कोशिकाओं के माध्यम से प्राप्त किया गया है।जब कैथोड और एनोड के बीच की खाई डेबी लंबाई से छोटी होती है। डेबी-लंबाई (शुद्ध पानी में 1 माइक्रोन, लगभग 220 & nbsp; डिस्टिल्ड वॉटर में एनएम), दो इलेक्ट्रोकेमिकल सेल डबल लेयर (सतह विज्ञान) क्षेत्र ओवरलैप हो सकते हैं, एक समान रूप से एक समान हो सकते हैं।पूरे अंतराल में उच्च विद्युत क्षेत्र वितरित किया गया।इस तरह के एक उच्च विद्युत क्षेत्र आयन परिवहन (मुख्य रूप से प्रवास के कारण) को बढ़ा सकते हैं, पानी के आत्म-आयोजन को बढ़ाते हैं। आत्म-आयोजन, प्रतिक्रिया को जारी रखते हुए और दो इलेक्ट्रोड के बीच थोड़ा प्रतिरोध दिखाते हैं।इस मामले में, दो आधे-प्रतिक्रियाएं इलेक्ट्रॉन-ट्रांसफर चरणों द्वारा युग्मित और सीमित होती हैं (इलेक्ट्रोलिसिस करंट को कम इलेक्ट्रोड दूरी पर संतृप्त किया जाता है)।

तकनीक
2022 तक, वाणिज्यिक इलेक्ट्रोलिसिस को एक किलोग्राम हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए लगभग 53 kWh बिजली की आवश्यकता होती है, जिसमें 33.6 kWh ऊर्जा होती है।

मौलिक प्रदर्शन
एक बैटरी के टर्मिनलों से चलने वाले दो तार, एक कप पानी में एक मात्रा में इलेक्ट्रोलाइट की मात्रा के साथ चालकता स्थापित करते हैं।एक इलेक्ट्रोलाइट घोल में NaCl (नमक) का उपयोग करना एक इलेक्ट्रोलिसिस के कारण ऑक्सीजन के बजाय क्लोरीन गैस पैदा करता है#समाधान इलेक्ट्रोलिसिस में आधे-प्रतिक्रिया का प्रतिस्पर्धा करता है।सोडियम बाइकार्बोनेट (बेकिंग सोडा) इसके बजाय हाइड्रोजन, और कार्बन डाइऑक्साइड की उपज देता है जब तक कि बाइकार्बोनेट आयनों समाधान में रहता है।



हॉफमैन वोल्टमीटर
हॉफमैन वोल्टमीटर एक छोटे पैमाने पर इलेक्ट्रोलाइटिक सेल है।इसमें तीन में शामिल होते हैं, जिसमें सीधा सिलेंडर शामिल होते हैं।पानी और इलेक्ट्रोलाइट को जोड़ने की अनुमति देने के लिए आंतरिक सिलेंडर शीर्ष पर खुला है।एक प्लैटिनम इलेक्ट्रोड (प्लेट या हनीकॉम्ब) को दो साइड सिलिंडर में से प्रत्येक के नीचे रखा जाता है, जो एक बिजली स्रोत के टर्मिनलों से जुड़ा होता है।उत्पन्न गैसें पानी को विस्थापित करती हैं और दो बाहरी ट्यूबों के शीर्ष पर इकट्ठा होती हैं, जहां इसे स्टॉपकॉक के साथ खींचा जा सकता है।

उच्च दबाव
उच्च दबाव वाले इलेक्ट्रोलिसिस में 12-20 एमपीए (120-200 बार (इकाई), 1740–2900 पाउंड प्रति वर्ग इंच) के आसपास संपीड़ित हाइड्रोजन आउटपुट शामिल होता है। इलेक्ट्रोलाइज़र में हाइड्रोजन पर दबाव डालकर, बाहरी हाइड्रोजन कंप्रेसर की आवश्यकता को समाप्त कर दिया जाता है।औसत ऊर्जा की खपत लगभग 3%है।

उच्च तापमान
उच्च तापमान इलेक्ट्रोलिसिस (एचटीई या स्टीम इलेक्ट्रोलिसिस भी) उच्च तापमान पर अधिक कुशल है।एक इंजन गर्म करें कुछ ऊर्जा की आपूर्ति करता है, जो आमतौर पर बिजली से सस्ता होता है

बहुलक इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली
एक बहुलक इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली इलेक्ट्रोलिस | प्रोटॉन-एक्सचेंज झिल्ली इलेक्ट्रोलाइसर प्रतिक्रियाकर्ताओं को अलग करता है और झिल्ली के माध्यम से एक प्रत्यक्ष इलेक्ट्रॉनिक मार्ग को अवरुद्ध करते हुए प्रोटॉन को परिवहन करता है।PEM ईंधन कोशिकाएं एक ठोस बहुलक झिल्ली (एक पतली प्लास्टिक फिल्म) का उपयोग करती हैं जो पानी से संतृप्त होने पर प्रोटॉन के लिए पारगम्य होती है, लेकिन यह इलेक्ट्रॉनों का संचालन नहीं करती है।

यह एक प्रोटॉन-एक्सचेंज झिल्ली, या बहुलक-इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली (PEM) का उपयोग करता है, जो एक आयन-एक्सचेंज झिल्ली है जो आमतौर पर आयनोमर्स से बनाया गया है और एक इलेक्ट्रॉनिक इन्सुलेटर और रिएक्टेंट बैरियर के रूप में कार्य करते हुए प्रोटॉन कंडक्टर के लिए डिज़ाइन किया गया है, उदा।ऑक्सीजन और हाइड्रोजन गैस के लिए। PEM ईंधन कोशिकाएं एक ठोस बहुलक झिल्ली (एक पतली प्लास्टिक फिल्म) का उपयोग करती हैं जो पानी से संतृप्त होने पर प्रोटॉन के लिए पारगम्य होती है, लेकिन इलेक्ट्रॉनों का संचालन नहीं करती है।प्रोटॉन-एक्सचेंज झिल्ली मुख्य रूप से प्रोटॉन चालकता (इलेक्ट्रोलाइटिक) (σ), मेथनॉल पारगम्यता (पी), और थर्मल स्थिरता की विशेषता है। PEM को शुद्ध बहुलक या समग्र सामग्री झिल्ली से बनाया जा सकता है, जहां अन्य सामग्री एक बहुलक मैट्रिक्स में एम्बेडेड होती है।सबसे आम व्यावसायिक रूप से उपलब्ध सामग्रियों में से एक फ्लोरोपोलिमर (PFSA) है नफियन। Nafion एक आयनोमर है जिसमें टेफ्लान की तरह एक परफ्लोरिनेटेड बैकबोन है। प्रोटॉन-एक्सचेंज झिल्ली के लिए आयनोमर्स बनाने के लिए कई अन्य संरचनात्मक रूपांकनों का उपयोग किया जाता है।कई पॉलीरोमैटिक पॉलिमर का उपयोग करते हैं, जबकि अन्य आंशिक रूप से फ्लोराइनेटेड पॉलिमर का उपयोग करते हैं।

सुपरक्रिटिकल वॉटर
सुपरक्रिटिकल वाटर इलेक्ट्रोलिसिस (SWE) एक सुपर तरल स्टेट में पानी का उपयोग करता है।सुपरक्रिटिकल पानी के लिए कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है, इसलिए लागत को कम करना।यह> 375 & nbsp; ° C पर संचालित होता है, जो थर्मोडायनामिक बाधाओं को कम करता है और कैनेटीक्स को बढ़ाता है, तरल या गैसीय पानी पर आयनिक चालकता में सुधार करता है, जो ओमिक नुकसान को कम करता है।लाभों में बेहतर विद्युत दक्षता शामिल है,> 221bar उत्पाद गैसों का दबाव डिलीवरी, उच्च वर्तमान घनत्व पर काम करने की क्षमता और कीमती धातु उत्प्रेरक पर कम निर्भरता।2021 के रूप में वाणिज्यिक SWE उपकरण उपलब्ध नहीं है।

निकेल/आयरन
2014 में, शोधकर्ताओं ने कीमती धातुओं के बजाय निकल और लोहे के उत्प्रेरक का उपयोग करके इलेक्ट्रोलिसिस की घोषणा की।निकेल-मेटल/निकेल-ऑक्साइड संरचना अकेले निकल धातु या निकल ऑक्साइड की तुलना में अधिक सक्रिय है।उत्प्रेरक आवश्यक वोल्टेज को काफी कम करता है। निकेल-आयरन बैटरी | निकेल-आयरन बैटरी संयुक्त बैटरी और इलेक्ट्रोलाइज़र के रूप में उपयोग के लिए जांच के अधीन हैं।उन बैटोलिसर्स को पारंपरिक बैटरी की तरह चार्ज और डिस्चार्ज किया जा सकता है, और पूरी तरह से चार्ज होने पर हाइड्रोजन का उत्पादन करेंगे।

नैनोगैप इलेक्ट्रोकेमिकल कोशिकाएं
2017 में, शोधकर्ताओं ने नैनोगैप इलेक्ट्रोकेमिकल कोशिकाओं की सूचना दी, जिन्होंने परिवेश के तापमान पर उच्च दक्षता वाले इलेक्ट्रोलाइट-मुक्त शुद्ध पानी के इलेक्ट्रोलिसिस को प्राप्त किया।इन कोशिकाओं में, दो इलेक्ट्रोड एक-दूसरे के इतने करीब हैं (डेबी लंबाई से छोटे। डेबी-लंबाई) कि द्रव्यमान परिवहन दर इलेक्ट्रॉन-ट्रांसफर दर से अधिक हो सकती है, जिससे दो आधे-प्रतिक्रियाएं एक साथ मिलकर और सीमित हो जाती हैं।इलेक्ट्रॉन-ट्रांसफर कदम।प्रयोगों से पता चलता है कि विद्युत वर्तमान घनत्व 1 & nbsp से बड़ा हो सकता है;मोल/एल सोडियम हाइड्रॉक्साइड समाधान।इसका आभासी टूटना तंत्र, इस तरह के नैनोगैप आकार के प्रभावों के कारण पारंपरिक विद्युत रासायनिक सिद्धांत से पूरी तरह से अलग है।

केशिका फेड
एक केशिका-खिलाया इलेक्ट्रोलाइज़र सेल को 1 किलोग्राम हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए केवल 41.5 kWh की आवश्यकता होती है।पानी के इलेक्ट्रोलाइट को एक झरझरा, हाइड्रोफिलिक विभाजक द्वारा इलेक्ट्रोड से अलग किया जाता है।केशिका कार्रवाई द्वारा पानी को इलेक्ट्रोलाइज़र में खींचा जाता है, जबकि इलेक्ट्रोलाइज्ड गैसें दोनों तरफ से गुजरती हैं।यह बहुलक इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली प्रौद्योगिकी का विस्तार करता है जो बुलबुले को समाप्त करके इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच संपर्क को कम करता है, दक्षता को कम करता है।डिजाइन को 98% ऊर्जा दक्षता पर संचालित करने का दावा किया जाता है।डिज़ाइन पानी के परिसंचरण, विभाजक टैंक और अन्य तंत्र को छोड़ देता है और हवा- या विकिरणीय रूप से ठंडा हो सकता है।

अनुप्रयोग
दुनिया भर में उत्पादित हाइड्रोजन गैस का लगभग पांच प्रतिशत इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा बनाया गया है।वर्तमान में, अधिकांश औद्योगिक तरीके भाप सुधारने की प्रक्रिया में प्राकृतिक गैस से हाइड्रोजन का उत्पादन करते हैं।इलेक्ट्रोलिसिस के माध्यम से उत्पादित हाइड्रोजन का अधिकांश हिस्सा क्लोरीन#उत्पादन और कास्टिक सोडा के उत्पादन में एक साइड उत्पाद है।यह समाधान इलेक्ट्रोलिसिस में आधे-प्रतिक्रिया के लिए एक इलेक्ट्रोलिसिस#प्रतिस्पर्धा का एक प्रमुख उदाहरण है।


 * 2nacl + 2h2ओ → सीएल2 + एच2 + 2noh

क्लोराल्कली प्रक्रिया (ब्राइन का इलेक्ट्रोलिसिस) में एक पानी/सोडियम क्लोराइड मिश्रण पानी का केवल आधा इलेक्ट्रोलिसिस होता है क्योंकि क्लोराइड आयनों को ऑक्सीजन के लिए ऑक्सीकरण किए जाने के बजाय क्लोरीन के लिए ऑक्सीकरण किया जाता है।थर्मोडायनामिक रूप से, यह उम्मीद नहीं की जाएगी क्योंकि क्लोराइड आयन की ऑक्सीकरण क्षमता पानी की तुलना में कम है, लेकिन क्लोराइड प्रतिक्रिया की दर पानी की तुलना में बहुत अधिक है, जिससे यह पूर्वनिर्मित हो जाता है।इस प्रक्रिया से उत्पादित हाइड्रोजन को या तो जला दिया जाता है (इसे वापस पानी में परिवर्तित किया जाता है), विशेष रसायनों के उत्पादन के लिए उपयोग किया जाता है, या विभिन्न अन्य छोटे पैमाने पर अनुप्रयोग।

अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन के लिए ऑक्सीजन उत्पन्न करने के लिए पानी के इलेक्ट्रोलिसिस का भी उपयोग किया जाता है। इसके अतिरिक्त, कई कार कंपनियों ने हाल ही में एक ईंधन स्रोत के रूप में पानी का उपयोग करके शोध करना शुरू कर दिया है, इसे पानी के इलेक्ट्रोलिसिस के माध्यम से हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में परिवर्तित किया है, और हाइड्रोजन वाहन में ईंधन के रूप में हाइड्रोजन का उपयोग करना, हालांकि, अस्थिर विशेषताओं के कारण बहुत अधिक सफलता नहीं मिली है।एक ईंधन स्रोत के रूप में हाइड्रोजन।

कई औद्योगिक इलेक्ट्रोलिसिस कोशिकाएं हॉफमैन वोल्टमीटर के समान हैं, प्लैटिनम प्लेटों या हनीकॉम्स के साथ इलेक्ट्रोड के रूप में।आम तौर पर, हाइड्रोजन का उत्पादन उपयोग के बिंदु के लिए किया जाता है जैसे कि ऑक्सीहाइड्रोजन टार्च या जब हाइड्रोजन शुद्धता या ऑक्सीजन वांछित होता है।हाइड्रोकार्बन से उत्पादित अधिकांश हाइड्रोजन और परिणामस्वरूप, अन्य अशुद्धियों के बीच कार्बन मोनोआक्साइड की मात्रा का ट्रेस होता है।कार्बन मोनोऑक्साइड अशुद्धता कई ईंधन कोशिकाओं सहित विभिन्न प्रणालियों के लिए हानिकारक हो सकती है।

औद्योगिक आउटपुट
आधुनिक हाइड्रोजन जनरेटर की दक्षता हाइड्रोजन की मानक मात्रा (एमजे/एम (एम) के प्रति ऊर्जा द्वारा खपत ऊर्जा द्वारा मापा जाता है3), मानक तापमान और एच के दबाव को मानते हुए2।एक जनरेटर द्वारा उपयोग की जाने वाली ऊर्जा जितनी कम होगी, इसकी दक्षता उतनी ही अधिक होगी;एक 100%-efficiencic इलेक्ट्रोलाइज़र उपभोग करेगा 39.4 kW.h/kg हाइड्रोजन का (उच्च ताप मूल्य), undefined J/L. व्यावहारिक इलेक्ट्रोलिसिस (15 बार दबाव पर एक घूर्णन डिस्क इलेक्ट्रोड का उपयोग करके) उपभोग कर सकता है 50 kW.h/kg, और एक और 15 kW.h यदि हाइड्रोजन हाइड्रोजन कारों में उपयोग के लिए संपीड़ित है। पर बाहरी गर्मी जोड़कर 150 °C, बिजली की खपत कम हो सकती है। इलेक्ट्रोलाइज़र विक्रेता थैलेपी के आधार पर दक्षता प्रदान करते हैं।एक इलेक्ट्रोलाइज़र की दावा की गई दक्षता का आकलन करने के लिए यह स्थापित करना महत्वपूर्ण है कि इसे विक्रेता द्वारा कैसे परिभाषित किया गया था (यानी क्या थैलेपी मूल्य, क्या वर्तमान घनत्व, आदि)।

बाजार पर तीन मुख्य प्रौद्योगिकियां उपलब्ध हैं: क्षारीय, ठोस ऑक्साइड और प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली (PEM) इलेक्ट्रोलाइजर्स। क्षारीय इलेक्ट्रोलाइजर्स निवेश के मामले में सस्ते होते हैं (वे आम तौर पर निकल उत्प्रेरक का उपयोग करते हैं), लेकिन कम से कम कुशल।PEM इलेक्ट्रोलाइजर्स अधिक महंगे होते हैं (वे आम तौर पर महंगे प्लैटिनम-समूह धातु उत्प्रेरक का उपयोग करते हैं) लेकिन अधिक कुशल होते हैं और उच्च वर्तमान घनत्व पर काम कर सकते हैं, और इसलिए, संभवतः सस्ता हो सकता है यदि हाइड्रोजन उत्पादन काफी बड़ा है।सॉलिड ऑक्साइड इलेक्ट्रोलाइज़र सेल (SOEC) इलेक्ट्रोलिसिस के तीसरे सबसे आम प्रकार हैं, और दक्षता बढ़ाने के लिए उच्च ऑपरेटिंग तापमान का उपयोग करते हैं।SOEC की सैद्धांतिक विद्युत दक्षता 90% हाइड्रोजन उत्पादन पर 100% के करीब है। समय के साथ सिस्टम की गिरावट SOEC इलेक्ट्रोलाइज़र्स की दक्षता को शुरू में PEM और क्षारीय इलेक्ट्रोलाइजर्स के विपरीत प्रभावित नहीं करती है।जैसे -जैसे SOEC सिस्टम कम हो जाता है, सेल वोल्टेज बढ़ता है, स्वाभाविक रूप से सिस्टम में अधिक गर्मी पैदा करता है।इसके कारण, सिस्टम को गर्म रखने के लिए कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जो शुरू में नाटकीय गिरावट से ऊर्जा के नुकसान के लिए बनाएगा। पारंपरिक क्षारीय इलेक्ट्रोलिसिस में लगभग 70%की दक्षता होती है। दहन की गर्मी के स्वीकृत उपयोग के लिए लेखांकन#उच्च ताप मूल्य (क्योंकि गर्मी के माध्यम से अक्षमता को उत्प्रेरक द्वारा आवश्यक भाप बनाने के लिए सिस्टम में वापस पुनर्निर्देशित किया जा सकता है), पेम इलेक्ट्रोलिसिस के लिए औसत कार्य क्षमता लगभग 80%है। यह 82-86% के बीच बढ़ने की उम्मीद है 2030 से पहले। PEM इलेक्ट्रोलाइज़र के लिए सैद्धांतिक दक्षता 94%तक की भविष्यवाणी की जाती है।

हाइड्रोजन के औद्योगिक उत्पादन को ध्यान में रखते हुए, और पानी के इलेक्ट्रोलिसिस (PEM या क्षारीय इलेक्ट्रोलिसिस) के लिए वर्तमान सर्वोत्तम प्रक्रियाओं का उपयोग करना, जिसमें 70-80%की प्रभावी विद्युत दक्षता है, 1 & nbsp; हाइड्रोजन के किलो का उत्पादन (जिसमें 143 mj/किग्रा की एक विशिष्ट ऊर्जा है) की आवश्यकता है 50 - 55 kW.h बिजली की।2015 के लिए अमेरिकी ऊर्जा हाइड्रोजन उत्पादन लक्ष्यों में निर्धारित $ 0.06/kW · H की बिजली लागत पर, हाइड्रोजन की लागत $ 3/किग्रा है।उपकरण लागत बड़े पैमाने पर उत्पादन पर निर्भर करती है।, अलग -अलग विश्लेषक क्रमशः 2030 तक 47 GW, 104 GW और 180 GW के रूप में उपकरणों के वार्षिक निर्माण की भविष्यवाणी करते हैं। 2016 से प्राकृतिक गैस की कीमतों की सीमा के साथ जैसा कि ग्राफ में दिखाया गया है (हाइड्रोजनप्रोडक्शन टेक टीम रोडमैप, नवंबर 2017) स्टीम-मेथेन-सुधार (एसएमआर) हाइड्रोजन की लागत को $ 1.20 और $ 1.50 के बीच में डालते हुए, इलेक्ट्रोलिसिस के माध्यम से हाइड्रोजन की लागत मूल्य अभी भी डबल 2015 डीओई हाइड्रोजन लक्ष्य की कीमतों से अधिक है।2020 में हाइड्रोजन के लिए यूएस डीओई लक्ष्य मूल्य $ 2.30/किग्रा है, जिसके लिए बिजली की लागत $ 0.037/kW · H की आवश्यकता होती है, जो कि 2018 PPA निविदाएं दी गई है कई क्षेत्रों में हवा और सौर के लिए।यह $ 4/गैसोलीन गैलन समकक्ष (GGE) H डालता है2 पहुंच के भीतर अच्छी तरह से विवादित उद्देश्य, और एसएमआर के लिए थोड़ा ऊंचा प्राकृतिक गैस उत्पादन लागत के करीब।

दुनिया के अन्य हिस्सों में, एसएमआर हाइड्रोजन की कीमत औसतन $ 1-3/किग्रा के बीच है।यह कई क्षेत्रों में इलेक्ट्रोलिसिस लागत प्रतिस्पर्धी के माध्यम से हाइड्रोजन का उत्पादन करता है, जैसा कि एनईएल हाइड्रोजन द्वारा उल्लिखित है और अन्य, IEA द्वारा एक लेख सहित उन स्थितियों की जांच करना जो इलेक्ट्रोलिसिस के लिए प्रतिस्पर्धात्मक लाभ पैदा कर सकते हैं।2021-2022 के दौरान गैस की बड़ी कीमत में वृद्धि वैश्विक ऊर्जा संकट ने दुनिया के कुछ हिस्सों में हाइड्रोजन इलेक्ट्रोलिसिस को आर्थिक बना दिया। कुछ बड़े औद्योगिक इलेक्ट्रोलाइज़र कई मेगावाट पर काम कर रहे हैं।, सबसे बड़ा चीन के निंगक्सिया में 150 मेगावाट की क्षारीय सुविधा है, जिसमें प्रति वर्ष 23,000 टन तक की क्षमता है। जबकि उच्च-दक्षता वाले पश्चिमी इलेक्ट्रोलिसिस उपकरण की लागत $ 1,200/kW हो सकती है, कम-दक्षता वाले चीनी उपकरणों की लागत $ 300/kW हो सकती है, लेकिन 60,000 घंटे के कम जीवनकाल के साथ।

ओवरपोटेंशियल
रियल वाटर इलेक्ट्रोलाइज़र को आगे बढ़ने के लिए प्रतिक्रिया के लिए उच्च वोल्टेज की आवश्यकता होती है।वह हिस्सा जो 1.23 V से अधिक है ओवरपोटेंशियल या ओवरवॉल्टेज कहा जाता है, और विद्युत प्रक्रिया में किसी भी तरह के नुकसान और गैर -पहचान का प्रतिनिधित्व करता है।

एक अच्छी तरह से डिज़ाइन की गई सेल के लिए सबसे बड़ा ओवरपोटेंशियल एनोड पर ऑक्सीजन के लिए पानी के चार-इलेक्ट्रॉन ऑक्सीकरण के लिए ओवरपोटेंशियल#रिएक्शन ओवरपोटेंशियल है;उत्प्रेरक#इलेक्ट्रोकैटलिस्ट इस प्रतिक्रिया को सुविधाजनक बना सकते हैं, और प्लैटिनम मिश्र धातु इस ऑक्सीकरण के लिए कला की स्थिति हैं।इस प्रतिक्रिया के लिए एक सस्ता, प्रभावी इलेक्ट्रोकैटलिस्ट विकसित करना एक महान अग्रिम होगा, और वर्तमान शोध का विषय है;कई दृष्टिकोण हैं, उनमें से मोलिब्डेनम सल्फाइड के लिए एक 30 साल पुरानी नुस्खा है, ग्राफीन#क्वांटम डॉट्स के संभावित अनुप्रयोग, कार्बन नैनोट्यूब, पेरोव्साइट (संरचना), और निकल/निकल-ऑक्साइड। TRI - Molybdenum Phosphide (MO3P) को हाल ही में एक आशाजनक गैर -धातु और पृथ्वी के रूप में पाया गया है, जो कि उत्कृष्ट उत्प्रेरक गुणों के साथ बहुतायत उम्मीदवार के रूप में है, जिसका उपयोग इलेक्ट्रोकैटलिटिक प्रक्रियाओं के लिए किया जा सकता है।MO3P नैनोकणों के उत्प्रेरक प्रदर्शन को हाइड्रोजन विकास प्रतिक्रिया (HER) में परीक्षण किया जाता है, जो 21 mV, H2 गठन दर के रूप में कम की शुरुआत की क्षमता का संकेत देता है, और 214.7 µmol S (1 G) 1 CAT की वर्तमान घनत्व का आदान -प्रदान करता है।एमवी ओवरपोटेंशियल) और 279.07 µa सेमी, 2, क्रमशः, जो कि प्लैटिनम के लिए अभी तक देखे गए निकटतम मूल्यों में से हैं।  कैथोड में हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए सरल दो-इलेक्ट्रॉन प्रतिक्रिया को प्लैटिनम द्वारा लगभग कोई ओवरपोटेंशियल, या सिद्धांत रूप में एक हाइड्रोजेज़ेज के साथ इलेक्ट्रोकाटैलेज़ किया जा सकता है।यदि अन्य, कम प्रभावी, सामग्री का उपयोग कैथोड (जैसे सीसा) के लिए किया जाता है, तो बड़े ओवरपोटेंशियल दिखाई देंगे।

थर्मोडायनामिक्स
मानक स्थितियों में पानी के इलेक्ट्रोलिसिस को पानी के प्रत्येक मोल को अलग करने के लिए विद्युत ऊर्जा इनपुट के 237 kJ की एक सैद्धांतिक न्यूनतम की आवश्यकता होती है, जो पानी के गठन की मानक गिब्स मुक्त ऊर्जा है।प्रतिक्रिया के एन्ट्रापी में परिवर्तन को दूर करने के लिए इसे ऊर्जा की भी आवश्यकता होती है।इसलिए, प्रक्रिया 286 kJ प्रति मोल से नीचे नहीं जा सकती है यदि कोई बाहरी गर्मी/ऊर्जा नहीं जोड़ी जाती है।

चूंकि पानी के प्रत्येक मोल को इलेक्ट्रॉनों के दो मोल की आवश्यकता होती है, और यह देखते हुए कि फैराडे निरंतर एफ इलेक्ट्रॉनों के एक तिल (96485 सी/मोल) के एक तिल का प्रतिनिधित्व करता है, यह इस प्रकार है कि इलेक्ट्रोलिसिस के लिए आवश्यक न्यूनतम वोल्टेज लगभग 1.23 वी है। यदि इलेक्ट्रोलिसिस उच्च तापमान पर किया जाता है, तो यह वोल्टेज कम हो जाता है।यह प्रभावी रूप से इलेक्ट्रोलाइज़र को 100% से अधिक विद्युत दक्षता पर संचालित करने की अनुमति देता है।इलेक्ट्रोकेमिकल सिस्टम में इसका मतलब है कि प्रतिक्रिया को बनाए रखने के लिए रिएक्टर को गर्मी की आपूर्ति की जानी चाहिए।इस तरह इलेक्ट्रोलिसिस ऊर्जा आवश्यकता के हिस्से के लिए थर्मल ऊर्जा का उपयोग किया जा सकता है। इसी तरह से आवश्यक वोल्टेज को कम किया जा सकता है (1 V से नीचे) यदि ईंधन (जैसे कार्बन, अल्कोहल, बायोमास) पानी के साथ प्रतिक्रिया की जाती है (कम तापमान में PEM आधारित इलेक्ट्रोलाइज़र) या ऑक्सीजन आयनों (उच्च तापमान में ठोस ऑक्साइड इलेक्ट्रोलाइट आधारित इलेक्ट्रोलाइज़र)।इसके परिणामस्वरूप ईंधन की कुछ ऊर्जा का उपयोग इलेक्ट्रोलिसिस प्रक्रिया की सहायता के लिए किया जा रहा है और उत्पादित हाइड्रोजन की समग्र लागत को कम कर सकता है। हालांकि, एन्ट्रापी घटक (और अन्य नुकसान) का अवलोकन करते हुए, 1.48 वी से अधिक वोल्टेज को व्यावहारिक वर्तमान घनत्व (थर्मोन्यूट्रल वोल्टेज) पर आगे बढ़ने के लिए प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक है।

पानी के इलेक्ट्रोलिसिस के मामले में, गिब्स मुक्त ऊर्जा आगे बढ़ने के लिए प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक न्यूनतम कार्य का प्रतिनिधित्व करती है, और प्रतिक्रिया थैलेपी ऊर्जा की मात्रा (काम और गर्मी दोनों) है जो प्रदान की जानी चाहिए ताकि प्रतिक्रिया उत्पाद एक ही तापमान पर होंअभिकारक के रूप में (यानी ऊपर दिए गए मूल्यों के लिए मानक तापमान)।संभावित रूप से, 1.48 V पर संचालित एक इलेक्ट्रोलाइज़र 25 C के तापमान पर isothermally का संचालन करेगा क्योंकि आपूर्ति की गई विद्युत ऊर्जा पानी के अपघटन के थैलेपी (गर्मी) के बराबर होगी और इसके लिए न्यूनतम से 20% अधिक विद्युत ऊर्जा की आवश्यकता होगी।

यह भी देखें

 * इलेक्ट्रोकैटलिस्ट
 * विद्युत -विज्ञान
 * इलेक्ट्रोकेमिकल सेल
 * इलेक्ट्रोकेमिकल इंजीनियरिंग
 * इलेक्ट्रोलिसिस
 * गैस पटाखा
 * हाइड्रोजन उत्पादन
 * मीथेन पाइरोलिसिस (हाइड्रोजन के लिए)
 * नोरिल
 * पानी का फोटोइलेक्ट्रोलिसिस
 * फोटोकैटलिटिक पानी विभाजन
 * कार्बन डाइऑक्साइड की विद्युत रासायनिक कमी
 * हाइड्रोजन प्रौद्योगिकियों की समयरेखा
 * जल शुद्धीकरण

बाहरी कड़ियाँ

 * EERE 2008 – 100 kgH2/day Trade Study
 * NREL 2006 – Electrolysis technical report
 * EERE 2008 – 100 kgH2/day Trade Study
 * NREL 2006 – Electrolysis technical report