हाइड्रोजन ऊर्जा का नया प्रिय: फोम आयरन-निकल मिश्र धातु हाइड्रोजन उत्पादन इलेक्ट्रोलाइजर को कैसे नया रूप देता है

1. हाइड्रोजन का नया युग

16वीं शताब्दी में इसकी खोज के बाद से ही हाइड्रोजन को इसकी प्रचुरता, उच्च ऊर्जा घनत्व और हरित, निम्न-कार्बन गुणों के कारण एक महत्वपूर्ण स्वच्छ ऊर्जा स्रोत माना जाता रहा है।

वर्तमान में, हाइड्रोजन उत्पादन प्रक्रियाओं को उनके कार्बन उत्सर्जन के आधार पर ग्रे हाइड्रोजन, ब्लू हाइड्रोजन और ग्रीन हाइड्रोजन में वर्गीकृत किया जाता है। इनमें से, ग्रीन हाइड्रोजन, नवीकरणीय ऊर्जा का उपयोग करके पानी को इलेक्ट्रोलाइज़ करके उत्पादित किया जाता है, जो ग्रीनहाउस गैसों या हानिकारक पदार्थों का उत्सर्जन नहीं करता है और उच्च शुद्धता का दावा करता है। यह हाइड्रोजन उत्पादन का सबसे स्वच्छ तरीका है और हाइड्रोजन ऊर्जा के लिए प्राथमिक भविष्य की दिशा का प्रतिनिधित्व करता है।

हरित हाइड्रोजन मुख्य रूप से प्राप्त किया जाता हैजल इलेक्ट्रोलिसिस, जहां एक इलेक्ट्रोलाइजर पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित करता है। वर्तमान में चार मुख्य इलेक्ट्रोलाइजर तकनीकें हैं: ALK (क्षारीय जल इलेक्ट्रोलिसिस), PEM (प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन इलेक्ट्रोलिसिस), SOEC (सॉलिड ऑक्साइड इलेक्ट्रोलिसिस सेल), और AEM (सॉलिड पॉलीमर इलेक्ट्रोलिसिस सेल)मेंएक्सचेंज झिल्ली इलेक्ट्रोलिसिस पर)।

वैश्विक कार्बन तटस्थता के संदर्भ में, ग्रीन हाइड्रोजन निस्संदेह ऊर्जा संक्रमण में एक महत्वपूर्ण क्षेत्र बन गया है। इलेक्ट्रोलाइज़र तकनीक की लागत को और कम करने और दक्षता बढ़ाने की क्षमता इस महत्वपूर्ण क्षेत्र में इसकी भविष्य की सफलता के लिए महत्वपूर्ण है।

2. मुख्य आधार: क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र

हाइड्रोजन उत्पादन के लिए ALK (क्षारीय जल इलेक्ट्रोलिसिस) क्षारीय इलेक्ट्रोलाइट वातावरण में होता है, आमतौर पर KOH या NaOH समाधान का उपयोग करके। इस इलेक्ट्रोलिसिस तकनीक का सबसे बड़ा लाभ यह है कि एनोड और कैथोड दोनों प्लेटों में कीमती धातुएँ नहीं होती हैंधातुजिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रोलाइजर की लागत सबसे कम है। इसके अलावा, इस प्रकार का इलेक्ट्रोलाइजर व्यावसायिक रूप से सबसे परिपक्व है, जिसमें व्यापक परिचालन अनुभव है, और यह बाजार पर हावी है। कुछ घरेलू महत्वपूर्ण उपकरणों के प्रमुख प्रदर्शन संकेतक अंतरराष्ट्रीय उन्नत स्तरों पर पहुंच गए हैं, जो प्रति सेल बड़े पैमाने पर हाइड्रोजन उत्पादन की पेशकश करते हैं, जिससे उन्हें ग्रिड-संचालित इलेक्ट्रोलिसिस के लिए आसानी से अनुकूल बनाया जा सकता है।

एक क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र में मुख्य रूप से अंत प्लेटें, गास्केट, द्विध्रुवीय प्लेटें जैसे घटक होते हैं,इलेक्ट्रोडप्लेटें और डायाफ्राम। इलेक्ट्रोलाइजर में दर्जनों या सैकड़ों इलेक्ट्रोलिसिस सेल होते हैं, जिन्हें स्क्रू और एंड प्लेट्स द्वारा एक साथ दबाकर बेलनाकार या चौकोर आकार बनाया जाता है। प्रत्येक इलेक्ट्रोलिसिस सेल, दो आसन्न प्लेटों द्वारा चित्रित, में छह भाग शामिल हैं: सकारात्मक और नकारात्मक द्विध्रुवीय प्लेटें, एक एनोड इलेक्ट्रोड, एक डायाफ्राम, एक सीलिंग गैसकेट और एक कैथोड इलेक्ट्रोड।

महत्वपूर्ण रूप से, क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र इलेक्ट्रोड वह स्थान है जहाँ विद्युत रासायनिक अभिक्रियाएँ होती हैं और यह इलेक्ट्रोलाइज़र की हाइड्रोजन उत्पादन दक्षता निर्धारित करने के लिए महत्वपूर्ण है। बड़े घरेलू क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र में उपयोग किए जाने वाले अधिकांश इलेक्ट्रोड निकेल-आधारित होते हैं, जैसे कि शुद्ध निकेल जाल, फोम निकेल, या अत्यधिक सक्रिय उत्प्रेरक के साथ लेपित शुद्ध निकेल जाल/फोम निकेल सब्सट्रेट। इनमें से, फोम निकेल सस्ता और एक परिपक्व उत्पाद है। इसकी इलेक्ट्रोड सामग्री कई माइक्रोपोर से भरी हुई है, जो एक विशाल सतह क्षेत्र प्रदान करती है। यह समाधान और इलेक्ट्रोड के बीच संपर्क क्षेत्र को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है, द्रव्यमान स्थानांतरण दूरी को छोटा करता है, और इलेक्ट्रोलिसिस प्रतिक्रिया दक्षता में काफी सुधार करता है।

फोम लोहा-निकल मिश्र धातु सामग्रीपारंपरिक निकल-आधारित सामग्रियों से बेहतर प्रदर्शन करता है, अधिक सक्रिय ऑक्सीजन विकास स्थल प्रदान करता है, और इसकी उत्प्रेरक दक्षता काफी अधिक है। यह क्षारीय जल इलेक्ट्रोलिसिस के लिए आगे बढ़ने और आगे बढ़ने के लिए एक "मास्टरस्ट्रोक" है। आधिकारिक परीक्षणों के अनुसार, वास्तविक कार्य स्थितियों के तहत, फोम आयरन-निकल का उपयोग करके क्षारीय जल इलेक्ट्रोलिसिस की दक्षता पारंपरिक निकल जाल से बेहतर है। वर्तमान घरेलू और अंतर्राष्ट्रीय अत्याधुनिक शोध के आधार पर, डीसी ऊर्जा की खपत 4.0-4.3 KWH / मानक क्यूबिक मीटर जितनी कम हो सकती है, ऊर्जा दक्षता 80-85% तक पहुँच सकती है।

3. एईएम इलेक्ट्रोलाइजर्स का उदय

ठोस बहुलक आयन विनिमय झिल्ली (एईएम) जल इलेक्ट्रोलिसिस एक हाइड्रोजन उत्पादन प्रक्रिया है, जिसमें विभाजक के रूप में कम लागत वाली आयन विनिमय झिल्ली, इलेक्ट्रोलाइट के रूप में कम सांद्रता वाले क्षारीय घोल या शुद्ध पानी, तथा प्रतिक्रिया के लिए गैर-कीमती धातु उत्प्रेरक का उपयोग किया जाता है।

एईएम इलेक्ट्रोलाइजर में, एनोड आमतौर पर संक्रमण धातु ऑक्साइड (जैसे, निकल ऑक्साइड, कोबाल्ट ऑक्साइड) से बना होता है, जबकि कैथोड आमतौर पर कीमती धातुओं या उनके मिश्र धातुओं, जैसे निकल, प्लैटिनम या पैलेडियम से बना होता है।

एनोड पर प्रतिक्रिया है: 4OH−−4e−→O2​↑+2H2​O कैथोड पर प्रतिक्रिया है: 2H2​O+2e−→H2​↑+2OH−

यहाँ उल्लिखित 4OH− इस प्रक्रिया में महत्वपूर्ण ऋणायन हैं। ऋणायन विनिमय झिल्ली की क्रिया के तहत, कैथोड पर उत्पादित OH− एनोड की ओर पलायन कर सकता है, जिससे एनोड की तरफ OH− सांद्रता बढ़ जाती है, जिससे एनोड पर अधिक ऑक्सीजन और पानी का उत्पादन होता है। यह स्वाभाविक रूप से कैथोड पर एक शुद्ध हाइड्रोजन उत्पाद छोड़ता है।

कैथोड और एनोड सामग्रियों की प्राथमिक भूमिका जल विभाजन प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करना और उत्पादित हाइड्रोजन और ऑक्सीजन को कुशलतापूर्वक बाहर निकालना है। इसलिए, कैथोड और एनोड दोनों सामग्रियों में मजबूत उत्प्रेरक गतिविधि और छिद्रता होनी चाहिए। इलेक्ट्रोड प्रतिक्रियाओं की सुचारू प्रगति के लिए, कैथोड और एनोड सामग्रियों में उच्च आयन और इलेक्ट्रॉन चालकता भी होनी चाहिए।

वर्तमान में, सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली कैथोड सामग्री निकेल मिश्र धातुएं हैं, और एनोड सामग्री मुख्य रूप से निकेल-लौह मिश्र धातुएं हैं। लोहा और निकेल न केवल जल विभाजन के लिए मजबूत उत्प्रेरक गतिविधि प्रदर्शित करते हैं, बल्कि व्यापक रूप से उपलब्ध और कम लागत वाले भी हैं। चूंकि AEM अत्यधिक संक्षारक वातावरण में काम नहीं करता है, इसलिए इसे एनोड और कैथोड सामग्री में इरिडियम या टाइटेनियम जैसे कीमती धातु उत्प्रेरक की आवश्यकता नहीं होती है। यह AEM उपकरणों की विनिर्माण लागत को काफी कम करता है, और इसका प्रदर्शन PEM तकनीक से कम नहीं है, जिससे यह दुनिया भर में नव विकसित हाइड्रोजन इलेक्ट्रोलाइज़र के लिए मुख्यधारा की दिशा बन जाती है।

4. राइडिंग द वेव: द राइज़ ऑफ़फोम आयरन-निकेल

चाहे वर्तमान मुख्यधारा ALK (क्षारीय इलेक्ट्रोलिसिस) के लिए हो या उभरती हुई AEM प्रौद्योगिकी के लिए, फोम आयरन-निकल अद्वितीय अनुप्रयोग लाभ और व्यापक संभावनाएं प्रदान करता है।

सामग्री विशेषताएँ: क्रांतिकारी 3D मेष डिज़ाइन

• अति-उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्र:20-450 μm तक के छिद्रों के आकार और ≥98% की छिद्रता के साथ, इसका सक्रिय सतह क्षेत्र समतल इलेक्ट्रोड की तुलना में सैकड़ों गुना बड़ा है। यह प्रतिक्रिया दरों को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है, समाधान और इलेक्ट्रोड के बीच संपर्क क्षेत्र को नाटकीय रूप से बढ़ाता है, द्रव्यमान स्थानांतरण दूरी को छोटा करता है, और इलेक्ट्रोलिसिस प्रतिक्रिया दक्षता में काफी सुधार करता है।
• प्रभावी उत्प्रेरणफोम आयरन-निकल की सतह निकेल-आधारित और आयरन-आधारित उत्प्रेरकों से लेपित होती है। ये उत्प्रेरक जल इलेक्ट्रोलिसिस प्रतिक्रिया में सहायता करते हैं, जो पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित करता है।
• संरचनात्मक समर्थन:फोम निकल की त्रि-आयामी संरचना उत्कृष्ट समर्थन प्रदान करती है, जिससे इलेक्ट्रोड की स्थिरता और संरचनात्मक अखंडता को बनाए रखने में मदद मिलती है, तथा दीर्घकालिक संचालन सुनिश्चित होता है।
• उच्च चालकता:लोहा और निकल दोनों ही अच्छे विद्युत चालक हैं, तथा फोम लोहा-निकल की त्रि-आयामी संरचना उच्च सतह क्षेत्र प्रदान करती है, जो विद्युत वितरण में सहायक होती है।

उत्प्रेरक परत अनुप्रयोग

वर्तमान में, इलेक्ट्रोलाइज़र उत्प्रेरक परतों में मुख्य रूप से शामिल हैंएनोड उत्प्रेरक परत (ओईआर-सीएल)और यहकैथोड उत्प्रेरक परत (HER-CL), जो क्रमशः ऑक्सीजन विकास प्रतिक्रिया (OER) और हाइड्रोजन विकास प्रतिक्रिया (HER) को सुविधाजनक बनाते हैं। चूंकि OER और HER दोनों गतिज निष्क्रियता प्रदर्शित करते हैं, इसलिए उत्प्रेरक आमतौर पर प्रतिक्रिया गतिविधि को बढ़ाने और ऊर्जा की खपत को कम करने के लिए इलेक्ट्रोड पर लोड किए जाते हैं। यह उत्प्रेरक परत (CL) का कार्य है। क्योंकि Ni-आधारित उत्प्रेरक क्षारीय मीडिया में उच्च गतिविधि और उत्कृष्ट संक्षारण प्रतिरोध दिखाते हैं, और अन्य संक्रमण धातुओं (जैसे Fe, Co) की तुलना में अधिक स्थिर होते हैं, इसलिए उन्हें OER और HER उत्प्रेरक दोनों के रूप में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। अपनी उच्च ऑक्सीजन बंधुता के कारण, Fe OH− प्रजातियों को सोख लेता है और इसलिए इसे अक्सर OER गतिज प्रमोटर के रूप में उपयोग किया जाता है।फोम निकल-लौह मिश्र धातु सामग्री, जो NiFe धातुओं के गुणों को जोड़ता है, हाइड्रोजन उत्पादन के लिए एनोड सामग्री के रूप में उपयोग किए जाने पर महत्वपूर्ण लाभ दिखाता है।

प्रसार परत अनुप्रयोग

गैस प्रसार परत (GDL) का उपयोग मुख्य रूप से गैस प्रसार के लिए किया जाता है - कैथोड पर हाइड्रोजन और एनोड पर ऑक्सीजन। इसके अतिरिक्त, इसकी धात्विक चालकता और ऊष्मीय चालकता के कारण, यह इलेक्ट्रॉन और ऊष्मा स्थानांतरण को भी सुगम बनाता है, इसलिए इसे छिद्रपूर्ण परिवहन परत (PTL) के रूप में जाना जाता है। वर्तमान में, फोम निकल का उपयोग बाजार में प्रसार परत सामग्री के रूप में व्यापक रूप से किया जाता है। इसके अलावा, उच्च गुणवत्ता वाला, लागत प्रभावी फोम आयरन-निकल अब अधिक किफायती विकल्प है।