تفاعل انطلاق الهيدروجين

📅 آخر تحديث: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

تفاعل إنتاج الهيدروجين ( HER ) هو تفاعل كيميائي ينتج عنه الهيدروجين (H₂ ) . [ 1 ] يتطلب تحويل البروتونات إلى H₂ عوامل اختزال، وعادةً ما يتطلب عاملًا مساعدًا. في الطبيعة، يُحفز تفاعل إنتاج الهيدروجين بواسطة إنزيمات الهيدروجيناز التي تعتمد على عوامل مساعدة من الحديد والنيكل. تستخدم المحللات الكهربائية التجارية عادةً عوامل مساعدة مدعومة من النيكل. [ 2 ]

HER في التحليل الكهربائي

يُعد تفاعل اختزال الهيدروجين (HER) تفاعلاً رئيسياً يحدث في التحليل الكهربائي للماء لإنتاج الهيدروجين، وذلك لاستخدامه في تطبيقات الطاقة الصناعية [ 3 ] ، وكذلك في الأبحاث المخبرية على نطاق صغير. ونظراً لوفرة المياه على سطح الأرض، يُمثل إنتاج الهيدروجين عملية قابلة للتطوير لإنتاج الوقود. ويُعد هذا بديلاً عن عملية إصلاح الميثان بالبخار [ 4 ] لإنتاج الهيدروجين، والتي تُنتج انبعاثات كبيرة من غازات الاحتباس الحراري ، ولذلك يسعى العلماء إلى تحسين عمليات التحليل الكهربائي وتوسيع نطاقها لتقليل الانبعاثات.

آلية التحليل الكهربائي

في الظروف الحمضية، يتبع تفاعل تطور الهيدروجين الصيغة التالية: [ 5 ]

2H + + 2e − → H 2

في الظروف المحايدة أو القلوية، يتبع التفاعل الصيغة التالية: [ 5 ]

2H 2 O + 2e − → H 2 + 2OH −

يمكن ملاحظة هاتين الآليتين في التطبيقات الصناعية على جانب الكاثود في المحلل الكهربائي، حيث يحدث انطلاق الهيدروجين. في الظروف الحمضية، يُشار إليها باسم التحليل الكهربائي بغشاء تبادل البروتونات ( PEM) ، بينما في الظروف القلوية يُشار إليها ببساطة باسم التحليل الكهربائي القلوي . تاريخيًا، كان التحليل الكهربائي القلوي هو الطريقة السائدة من بين الطريقتين، على الرغم من أن استخدام غشاء تبادل البروتونات (PEM) بدأ ينتشر مؤخرًا نظرًا لكثافة التيار الأعلى التي يمكن تحقيقها فيه. [ 6 ]

محفزات لعملية اختزال الهيدروجين

تُصبح عملية اختزال الهيدروجين (HER) أكثر كفاءةً بوجود المحفزات. تستخدم المحللات الكهربائية القلوية التجارية محفزات أساسها النيكل عند المهبط والفولاذ عند المصعد. [ 2 ] تُعد تقنية غشاء تبادل البروتونات بديلاً للمحللات الكهربائية التقليدية عالية الضغط. [ 7 ] تسمح قلوية الإلكتروليت في هذه العمليات باستخدام محفزات أقل تكلفة. [ 3 ] في محللات PEM الكهربائية، يُعد البلاتين المدعوم بالكربون، أو Pt/C، المحفز القياسي لعملية اختزال الهيدروجين، [ 7 ] ويُستخدم عند المصعد. يمكن تحديد أداء المحفز من خلال مستوى امتزاز الهيدروجين في مواقع الارتباط على سطح المعدن، بالإضافة إلى الجهد الزائد للتفاعل مع زيادة كثافة التيار. [ 3 ] تُعد محللات الماء الكهربائية ذات غشاء تبادل الأنيونات (AEM) من المحللات الكهربائية الحديثة. في أجهزة التحليل الكهربائي ذات غشاء التبادل الأنيوني، لا يزال المحفز القياسي لتفاعل اختزال الهيدروجين يعتمد على محفزات غير ثمينة، مثل النيكل أو الحديد. [ 8 ]

التحديات

يشكل ارتفاع تكلفة واستهلاك الطاقة في عملية التحليل الكهربائي للماء تحديًا أمام تطبيق طاقة الهيدروجين على نطاق واسع. ولا يُعدّ التحليل الكهربائي للماء عمليًا إلا في المناطق التي تكون فيها الطاقة رخيصة. [ 2 ] وبينما يُستخدم التحليل الكهربائي القلوي بشكل شائع، فإن قدرته المحدودة على توليد كثافة تيار عالية تتطلب استهلاكًا كبيرًا للطاقة الكهربائية، مما يُثير مخاوف تتعلق بالتكلفة والبيئة نظرًا لارتفاع نسبة الكربون في الكهرباء في العديد من البلدان. ​​[ 9 ] وتُمثل المحفزات الكهربائية المستخدمة في التحليل الكهربائي لمحللات PEM حاليًا حوالي 5% من إجمالي تكلفة العملية، ولكن مع توسيع نطاق هذه العملية.

هي كرد فعل منافس

يمكن أن يكون تفاعل اختزال الهيدروجين أيضًا تفاعلًا جانبيًا غير مرغوب فيه يمكن أن يتنافس مع عمليات الاختزال الأخرى مثل تثبيت النيتروجين بالتحليل الكهربائي ، والاختزال الكهروكيميائي لثاني أكسيد الكربون ، والطلاء بالكروم .

مراجع

  1. ↑ تشنغ، ياو؛ جياو، يان؛ فاسيليف، أنتوني؛ تشياو، شي-تشانغ (2018). "تفاعل إنتاج الهيدروجين في المحلول القلوي: من النظرية، ونماذج البلورات الأحادية، إلى المحفزات الكهربائية العملية" . Angewandte Chemie International Edition . 57 (26): 7568–7579 . doi : 10.1002/anie.201710556 . PMID 29194903 . 
  2. 1 2 3 هاوسينجر، بيتر؛ لومولر، راينر؛ واتسون، آلان م. (2011). "الهيدروجين، 2. الإنتاج". موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية . doi : 10.1002/14356007.o13_o03 . ISBN 978-3-527-30385-4.
  3. وانغ ، شان؛ لو، أولين؛ تشونغ، تشوان جيان (ديسمبر 2021). "إنتاج الهيدروجين من التحليل الكهربائي للماء: دور المحفزات" . نانو كونفرجنس . 8 ( 1 ): 4. Bibcode : 2021NanoC...8....4W . doi : 10.1186/s40580-021-00254-x . ISSN 2196-5404 . PMC 7878665. PMID 33575919 .   
  4. ↑ صن، بينغ بينغ؛ يونغ، بن؛ إلغوايني، أمجاد؛ لو، زيفنغ؛ وانغ، مايكل؛ موريللي، بن؛ هوكينز، تروي (18 يونيو 2019). "معايير ملوثات الهواء وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري من إنتاج الهيدروجين في منشآت إصلاح الميثان بالبخار في الولايات المتحدة" . العلوم والتكنولوجيا البيئية . 53 (12): 7103-7113 . Bibcode : 2019EnST...53.7103S . doi : 10.1021 / acs.est.8b06197 . ISSN 0013-936X . OSTI 1546962. PMID 31039312. S2CID 141483589 .    
  5. 1 2 شيه، آرثر ج.؛ مونتيرو، ماريانا كو؛ داتيلا، فيديريكو؛ بافيسي، دافيد؛ فيليبس، ماثيو. دا سيلفا ، أليسون إتش إم . فوس، رافائيل E.؛ أوجا، كاسيناث؛ بارك، سونجهاك؛ فان دير هايدن، أونو؛ ماركاندالي، جوليا؛ جويال، أكانشا؛ فيلالبا، ماتياس؛ تشن، شياو تينغ. جوناسوريا، جي تي كاسون كالهارا (2022/10/27). "التحليل الكهربائي للماء" . مراجعات الطبيعة طرق الاشعال . 2 (1): 1– 19. دوى : 10.1038/s43586-022-00164-0 . اتش دي ال : 1887/3512135 . ردمك 2662-8449 . S2CID 253155456 .  
  6. ↑ كارمو، مارسيلو؛ فريتز، ديفيد ل.؛ ميرجل، يورغن؛ ستولتن، ديتليف (22 أبريل 2013). "مراجعة شاملة حول التحليل الكهربائي للماء باستخدام غشاء تبادل البروتونات" . المجلة الدولية لطاقة الهيدروجين . 38 (12): 4901-4934 . رمز Bibcode : 2013IJHE...38.4901C . doi : 10.1016/j.ijhydene.2013.01.151 . ISSN 0360-3199 . 
  7. 1 2 غو، يوجينغ؛ لي، جندي؛ تشو، جونبو؛ ليو، يونغ (2019-12-01). "مقارنة بين إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للماء القلوي وإنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي باستخدام غشاء تبادل البروتونات" . سلسلة مؤتمرات IOP: علوم الأرض والبيئة . 371 (4) 042022. Bibcode : 2019E & ES..371d2022G . doi : 10.1088/1755-1315/371/4/042022 . ISSN 1755-1307 . 
  8. ↑ مولك، وقاد أول (16-11-2024). "إنتاج الهيدروجين الكهروكيميائي من خلال التحليل الكهربائي للماء باستخدام غشاء التبادل الأيوني السالب (AEMWE): التقدم الأخير والتحديات المصاحبة له في إنتاج الهيدروجين". المجلة الدولية لطاقة الهيدروجين . 94 : 1174-1211 . Bibcode : 2024IJHE...94.1174M . doi : 10.1016/j.ijhydene.2024.11.143 .
  9. ↑ "الأسئلة الشائعة (FAQs) - إدارة معلومات الطاقة الأمريكية (EIA)" . www.eia.gov . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 نوفمبر 2023 .