Kesayangan Baru Energi Hidrogen: Bagaimana Paduan Besi-Nikel Busa Membentuk Kembali Elektroliser Produksi Hidrogen

1. Era Baru Hidrogen

Sejak ditemukan pada abad ke-16, hidrogen telah dianggap sebagai sumber energi bersih yang penting karena kelimpahannya, kepadatan energi yang tinggi, serta sifat hijau dan rendah karbon.

Saat ini, proses produksi hidrogen dikategorikan berdasarkan emisi karbonnya menjadi hidrogen abu-abu, hidrogen biru, dan hidrogen hijau. Di antara semuanya, hidrogen hijau, yang diproduksi dengan mengelektrolisis air menggunakan energi terbarukan, tidak mengeluarkan gas rumah kaca atau zat berbahaya dan memiliki kemurnian tinggi. Ini adalah metode produksi hidrogen yang paling bersih dan merupakan arah utama masa depan untuk energi hidrogen.

Hidrogen hijau terutama diperoleh melaluielektrolisis air, di mana elektroliser memecah air menjadi hidrogen dan oksigen. Saat ini terdapat empat teknologi elektroliser utama: ALK (elektrolisis air alkali), PEM (elektrolisis membran pertukaran proton), SOEC (sel elektrolisis oksida padat), dan AEM (polimer padat aDi dalampada elektrolisis membran pertukaran).

Dalam konteks netralitas karbon global, hidrogen hijau tidak dapat disangkal telah menjadi area utama dalam transisi energi. Kemampuan teknologi elektroliser untuk lebih mengurangi biaya dan meningkatkan efisiensi sangat penting bagi keberhasilannya di masa mendatang dalam bidang penting ini.

2. Andalan: Elektroliser Alkali

ALK (elektrolisis air alkali) untuk produksi hidrogen dilakukan dalam lingkungan elektrolit alkali, biasanya menggunakan larutan KOH atau NaOH. Keuntungan terbesar dari teknologi elektrolisis ini adalah pelat anoda dan katoda tidak mengandung logam mulia.Logams, yang menghasilkan biaya elektroliser terendah. Lebih jauh lagi, jenis elektroliser ini adalah yang paling matang secara komersial, dengan pengalaman operasi yang luas, dan mendominasi pasar. Indikator kinerja utama dari beberapa peralatan penting dalam negeri telah mencapai tingkat lanjutan internasional, yang menawarkan produksi hidrogen skala besar per sel, sehingga mudah diadaptasi untuk elektrolisis bertenaga jaringan.

Elektroliser alkali terutama terdiri dari komponen-komponen seperti pelat ujung, paking, pelat bipolar,Elektrodapelat, dan diafragma. Elektroliser terdiri dari puluhan atau bahkan ratusan sel elektrolisis, yang ditekan bersama-sama oleh sekrup dan pelat ujung untuk membentuk bentuk silinder atau persegi. Setiap sel elektrolisis, yang dibatasi oleh dua pelat yang berdekatan, mencakup enam bagian: pelat bipolar positif dan negatif, elektroda anoda, diafragma, paking penyegel, dan elektroda katoda.

Yang terpenting, elektroda elektroliser alkali adalah tempat terjadinya reaksi elektrokimia dan merupakan kunci untuk menentukan efisiensi produksi hidrogen elektroliser. Sebagian besar elektroda yang digunakan dalam elektroliser alkali rumah tangga besar berbahan dasar nikel, seperti jaring nikel murni, nikel busa, atau substrat jaring nikel murni/nikel busa yang dilapisi dengan katalis yang sangat aktif. Di antara semua ini, nikel busa murah dan merupakan produk yang matang. Bahan elektrodanya diisi dengan banyak pori mikro, yang menawarkan area permukaan yang luas. Hal ini secara signifikan meningkatkan area kontak antara larutan dan elektroda, memperpendek jarak perpindahan massa, dan sangat meningkatkan efisiensi reaksi elektrolisis.

Bahan paduan besi-nikel busamengungguli bahan berbasis nikel tradisional, menyediakan lebih banyak tempat evolusi oksigen aktif, dan efisiensi katalitiknya jauh lebih tinggi. Ini adalah "langkah jitu" bagi elektrolisis air alkali untuk lebih maju dan berkembang. Menurut pengujian resmi, dalam kondisi kerja aktual, efisiensi elektrolisis air alkali menggunakan busa besi-nikel lebih unggul daripada jaring nikel tradisional. Berdasarkan penelitian mutakhir domestik dan internasional saat ini, konsumsi energi DC dapat serendah 4,0-4,3 KWH/meter kubik standar, dengan efisiensi energi mencapai 80-85%.

3. Awal Mula Elektroliser AEM

Elektrolisis air membran pertukaran anion polimer padat (AEM) adalah proses produksi hidrogen yang menggunakan membran pertukaran anion berbiaya rendah sebagai pemisah, larutan alkali konsentrasi rendah atau air murni sebagai elektrolit, dan katalis logam non-mulia untuk reaksinya.

Dalam elektroliser AEM, anoda biasanya terdiri dari oksida logam transisi (misalnya, nikel oksida, kobalt oksida), sedangkan katoda umumnya terbuat dari logam mulia atau paduannya, seperti nikel, platinum, atau paladium.

Reaksi di anoda adalah: 4OH−−4e−→O2​↑+2H2​O Reaksi di katoda adalah: 2H2​O+2e−→H2​↑+2OH−

4OH− yang disebutkan di sini adalah anion yang ditekankan dalam proses ini. Di bawah aksi membran pertukaran anion, OH− yang dihasilkan di katode dapat bermigrasi ke anoda, meningkatkan konsentrasi OH− di sisi anoda, yang mengarah ke lebih banyak oksigen dan pembentukan air di anoda. Hal ini secara alami menghasilkan produk hidrogen yang lebih murni di katode.

Peran utama bahan katode dan anoda adalah untuk mengkatalisis reaksi pemisahan air dan mengeluarkan hidrogen dan oksigen yang dihasilkan secara efisien. Oleh karena itu, bahan katode dan anoda harus memiliki aktivitas katalitik dan porositas yang kuat. Agar reaksi elektroda berjalan lancar, bahan katode dan anoda juga harus memiliki konduktivitas anion dan elektron yang tinggi.

Saat ini, material katode yang paling banyak digunakan adalah paduan nikel, dan material anoda utamanya adalah paduan nikel-besi. Besi dan nikel tidak hanya menunjukkan aktivitas katalitik yang kuat untuk pemisahan air, tetapi juga tersedia secara luas dan berbiaya rendah. Karena AEM tidak beroperasi di lingkungan yang sangat korosif, ia tidak memerlukan katalis logam mulia seperti iridium atau titanium pada material anoda dan katode. Hal ini secara signifikan mengurangi biaya produksi peralatan AEM, dan kinerjanya tidak kalah dengan teknologi PEM, menjadikannya arah utama untuk elektroliser hidrogen yang baru dikembangkan di seluruh dunia.

4. Menunggangi Gelombang: KebangkitanBusa Besi-Nikel

Baik untuk ALK (elektrolisis alkali) arus utama saat ini atau teknologi AEM yang sedang berkembang, busa besi-nikel menawarkan keunggulan aplikasi yang unik dan prospek yang luas.

Karakteristik Material: Desain Jaring 3D yang Revolusioner

• Luas permukaan spesifik sangat tinggi:Dengan ukuran pori berkisar antara 20-450 μm dan porositas ≥98%, luas permukaan aktifnya ratusan kali lebih besar daripada elektroda planar. Hal ini secara signifikan meningkatkan laju reaksi, secara dramatis meningkatkan luas kontak antara larutan dan elektroda, memperpendek jarak perpindahan massa, dan sangat meningkatkan efisiensi reaksi elektrolisis.
• Katalisis yang efektif: Permukaan busa besi-nikel dilapisi dengan katalis berbasis nikel dan besi. Katalis ini membantu reaksi elektrolisis air, yang memecah air menjadi hidrogen dan oksigen.
• Dukungan struktural:Struktur tiga dimensi dari busa nikel memberikan dukungan yang sangat baik, membantu menjaga stabilitas dan integritas struktural elektroda, memastikan operasi jangka panjang.
• Konduktivitas tinggi:Baik besi maupun nikel merupakan konduktor listrik yang baik, dan struktur tiga dimensi dari busa besi-nikel menyediakan luas permukaan yang tinggi, membantu dalam penyaluran arus.

Aplikasi Lapisan Katalis

Saat ini, lapisan katalis elektroliser terutama mencakuplapisan katalis anoda (OER-CL)danlapisan katalis katode (HER-CL), yang memfasilitasi reaksi evolusi oksigen (OER) dan reaksi evolusi hidrogen (HER), masing-masing. Karena OER dan HER menunjukkan kelembaman kinetik, katalis biasanya dimuat ke elektroda untuk meningkatkan aktivitas reaksi dan mengurangi konsumsi energi. Ini adalah fungsi dari lapisan katalis (CL). Karena katalis berbasis Ni menunjukkan aktivitas tinggi dan ketahanan korosi yang sangat baik dalam media alkali, dan lebih stabil daripada logam transisi lainnya (seperti Fe, Co), katalis ini banyak digunakan sebagai katalis OER dan HER. Karena afinitas oksigennya yang tinggi, Fe cenderung menyerap spesies OH− dan oleh karena itu sering digunakan sebagai promotor kinetik OER.Bahan paduan nikel-besi busa, yang menggabungkan sifat-sifat logam NiFe, menunjukkan keuntungan yang signifikan ketika digunakan sebagai bahan anoda untuk produksi hidrogen.

Aplikasi Lapisan Difusi

Lapisan difusi gas (GDL) terutama digunakan untuk difusi gas—hidrogen di katode dan oksigen di anoda. Selain itu, karena konduktivitas logam dan konduktivitas termalnya, lapisan ini juga memfasilitasi perpindahan elektron dan panas, sehingga dikenal sebagai lapisan transpor berpori (PTL). Saat ini, nikel busa banyak digunakan sebagai bahan lapisan difusi di pasaran. Lebih jauh lagi, nikel busa berkualitas tinggi dan hemat biaya kini menjadi pilihan yang lebih ekonomis.