การผลิตไฮโดรเจนจากน้ำทะเลคืออะไร? ทำไมถึงได้รับความสนใจมาก? มีปัญหาทางเทคนิคอะไรบ้าง?

เหตุใดความสำเร็จของการทดสอบนำร่องการผลิตไฮโดรเจนด้วยกระแสไฟฟ้าโดยตรงของน้ำทะเลจึงได้รับความสนใจอย่างมาก มันยากแค่ไหน? อะไรคือปัญหาทางเทคนิคที่ต้องแก้ไขเพื่อผลิตไฮโดรเจนด้วยอิเล็กโทรไลซิสของน้ำทะเล?

01

การผลิตไฮโดรเจนจากน้ำทะเล

การผลิตไฮโดรเจนด้วยกระแสไฟฟ้าถือเป็นเทคโนโลยีการเตรียมไฮโดรเจนที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมที่สำคัญมาก ปัจจุบันเทคโนโลยีอิเล็กโทรไลซิสน้ำเชิงพาณิชย์ใช้น้ำจืดเป็นอิเล็กโทรไลต์ ดังที่เราทราบกันดีว่าทรัพยากรน้ำจืดทั่วโลกนั้นมีจำกัดอย่างมาก โดยมีการใช้ไฟฟ้าพลังน้ำในวงกว้างเพื่อผลิตไฮโดรเจน ซึ่งทำให้การขาดแคลนแหล่งน้ำจืดรุนแรงขึ้นอย่างไม่ต้องสงสัย ในทางตรงกันข้าม น้ำทะเลอุดมไปด้วยทรัพยากร ซึ่งทำให้เกิดแนวคิดเรื่อง "การผลิตไฮโดรเจนจากน้ำทะเล"

แตกต่างจากน้ำจืดซึ่งคิดเป็นร้อยละ 96.5 ของปริมาณน้ำทั้งหมดของโลก น้ำทะเลมีองค์ประกอบที่ซับซ้อนซึ่งเกี่ยวข้องกับสารเคมีและธาตุมากกว่า 90 ชนิด ไอออน จุลินทรีย์ และอนุภาคจำนวนมากที่มีอยู่ในน้ำทะเลอาจทำให้เกิดปัญหาต่างๆ เช่น การแข่งขันของปฏิกิริยาข้างเคียง การยับยั้งการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยา และการอุดตันของไดอะแฟรมในระหว่างการผลิตไฮโดรเจน

ด้วยเหตุนี้ เทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนที่ใช้น้ำทะเลเป็นวัตถุดิบจึงทำให้เกิดสองเส้นทางที่แตกต่างกัน ประการแรก การผลิตไฮโดรเจนโดยตรงจากน้ำทะเล ซึ่งใช้น้ำทะเลธรรมชาติเป็นหลัก ส่วนใหญ่ผลิตโดยอิเล็กโทรไลซิสหรือโฟโตไลซิส ประการที่สอง การผลิตไฮโดรเจนโดยอ้อมของน้ำทะเลคือการแยกเกลือออกจากน้ำทะเลและกำจัดสิ่งเจือปนออกจากน้ำทะเล แยกเกลือออกจากน้ำทะเลเพื่อสร้างน้ำจืดที่มีความบริสุทธิ์สูงก่อน จากนั้นจึงผลิตไฮโดรเจน

02

ข้อดีที่สำคัญสองประการ

แท่นผลิตไฮโดรเจนนอกชายฝั่งสามารถใช้เป็นพื้นที่จัดเก็บพลังงานในระยะยาวหรือสถานที่ผลิตสารเคมีชั้นดี ซึ่งช่วยให้พลังงานสีเขียวสามารถบูรณาการเข้ากับระบบการผลิตสารเคมีได้อย่างใกล้ชิด

แพลตฟอร์มการผลิตไฮโดรเจนนอกชายฝั่งสามารถแก้ปัญหาการบริโภคไฟฟ้าทดแทนทางทะเลในวงกว้างได้ และการใช้ไฟฟ้าหมุนเวียนเพื่อผลิตไฮโดรเจนและแอมโมเนียสีเขียวทันทีอาจกลายเป็นวิธีการหลักในการประยุกต์ใช้พลังงานทดแทนทางทะเลในวงกว้างใน อนาคต.

03

ความยากทางเทคนิค

ปัญหาทางเทคนิค 1: สิ่งเจือปนจำนวนมากในน้ำทะเลส่งผลต่อการเกิดวิวัฒนาการของไฮโดรเจนแคโทด

ในกระบวนการของน้ำด้วยไฟฟ้า H2 จะถูกตกตะกอนจากแคโทด สำหรับปฏิกิริยาวิวัฒนาการไฮโดรเจนของแคโทด ปัญหาที่ท้าทายที่สุดคือมีไอออนบวกที่ละลายอยู่หลายชนิดในน้ำทะเลธรรมชาติ เช่น Na+, Mg2+, Ca2+ เป็นต้น นอกจากนี้ มีแบคทีเรีย จุลินทรีย์ และอนุภาคขนาดเล็กหลายชนิด

สิ่งเจือปนเหล่านี้จะอุดตันอิเล็กโทรดตามความก้าวหน้าของอิเล็กโทรลิซิสน้ำทะเล และจากนั้นจะเป็นพิษหรือเร่งการเสื่อมสภาพของอิเล็กโทรด/ตัวเร่งปฏิกิริยาในระบบอิเล็กโทรไลต์ ส่งผลให้ความทนทานต่ำ

ปัญหาทางเทคนิค 2: คลอไรด์ไอออนทำให้เกิดการกัดกร่อนของขั้วบวกและส่งผลต่อปฏิกิริยาวิวัฒนาการของออกซิเจนขั้วบวก

ในกระบวนการอิเล็กโทรลิซิสของน้ำ โดยปกติแล้ว O2 จะถูกตกตะกอนจากขั้วบวก อย่างไรก็ตาม การมีอยู่ของคลอไรด์ไอออน (Cl-) จำนวนมากในน้ำทะเลจะทำให้เกิดการกัดกร่อนอย่างรุนแรงของวัสดุแอโนด ซึ่งจะทำให้อิเล็กโทรดเสียหายและไฟฟ้าแรงสูง ส่งผลให้ปฏิกิริยาวิวัฒนาการของออกซิเจนมีประสิทธิภาพสิ้นสุดลง นอกจากนี้ ความเข้มข้นสูงของคลอไรด์ไอออนจะเกิดขึ้นในปฏิกิริยาออกซิเดชันของแอโนดคลอรีน ซึ่งครอบครองตำแหน่งแอคทีฟของตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งจะช่วยลดประสิทธิภาพของปฏิกิริยาวิวัฒนาการของออกซิเจนแอโนด

ความยากทางเทคนิค 3: การแข่งขันระหว่างปฏิกิริยาวิวัฒนาการของออกซิเจนขั้วบวกและปฏิกิริยาคลอรีนของออกซิเจน

ในกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสของน้ำทะเล แอโนดจะเกิดปฏิกิริยา 2 ปฏิกิริยา ได้แก่ ปฏิกิริยาวิวัฒนาการของออกซิเจน (OER) และปฏิกิริยาคลอรีนของออกซิเจน (ClOR) ปฏิกิริยาวิวัฒนาการของออกซิเจน: 4OH- → O2 + H2O + 4e-; E0=1.23V (เทียบกับ RHE)

ปฏิกิริยาออกซิเดชันของคลอรีน: Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e-; E0=1.71V (เทียบกับ RHE)

จะเห็นได้ว่า E0 ของทั้งสองมีความคล้ายคลึงกัน ซึ่งจะทำให้เกิดความสัมพันธ์เชิงแข่งขัน ซึ่งจำกัดแรงดันไฟฟ้าในการทำงานของอิเล็กโทรไลเซอร์อย่างมาก นอกจากนี้ ทั้งปฏิกิริยา ClOR และการเกิดไฮโปคลอไรต์เป็นปฏิกิริยาสองอิเล็กตรอน และปฏิกิริยา ClOR นั้นดำเนินการทางจลนศาสตร์ได้ง่ายกว่าปฏิกิริยาสี่อิเล็กตรอนของ OER ดังนั้นจึงมักสังเกตได้ว่าศักยภาพที่สูงเกินของ OER มักจะสูงกว่าของ ClOR

04

สถานะการวิจัย

ปัจจุบัน การผลิตไฮโดรเจนจากน้ำทะเลยังอยู่ในขั้นเริ่มต้นของการวิจัยและทดสอบ และยังคงเผชิญกับความท้าทายมากมาย แต่การวิจัยและพัฒนาการผลิตไฮโดรเจนจากอิเล็กโทรลิซิสน้ำทะเลมีความก้าวหน้าไปบ้าง ในปี 2022 ทีมงานของนักวิชาการ Xie Heping ได้สร้างความก้าวหน้าครั้งสำคัญในด้านการผลิตไฮโดรเจนโดยตรงจากน้ำทะเล และได้สร้างหลักการและเทคโนโลยีใหม่ในการผลิตไฮโดรเจนโดยตรงจากน้ำทะเลโดยไม่มีการแยกเกลือออกจากน้ำทะเล ซึ่งขับเคลื่อนโดยการเปลี่ยนเฟสและการย้ายถิ่น มีโครงการสาธิตการผลิตไฮโดรเจนในทะเลมากมายทั้งในและต่างประเทศ แต่ยังคงเป็นโครงการนำร่องขนาดเล็ก และส่วนใหญ่อยู่ระหว่างการก่อสร้างหรือเสนอ

แม้ว่าการผลิตไฮโดรเจนด้วยอิเล็กโทรลิซิสน้ำทะเลยังมีหนทางอีกยาวไกลตั้งแต่การทดสอบขนาดเล็กและการทดสอบนำร่องไปจนถึงการใช้งานในวงกว้างทางอุตสาหกรรมขั้นสุดท้าย อย่างไรก็ตาม เราเชื่อว่าในเส้นทางพลังงานไฮโดรเจนระดับล้านล้าน หากเทคโนโลยีนี้ถูกนำมาใช้ในที่สุด มันจะทิ้งหมึกที่ลึกซึ้งที่สุดไว้บนถนนของ "การลดคาร์บอน"!