1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Электрохимия
  4. T. 59, № 11, 2023

Электрохимия, 2023, T. 59, № 11, стр. 735-750

Щелочной электролиз воды с анионообменными мембранами и катализаторами на основе никеля

В. Н. Кулешов a, *, С. В. Курочкин a, Н. В. Кулешов a, А. А. Гаврилюк a, И. В. Пушкарева a, М. А. Климова a, О. Ю. Григорьева a, **

a Национальный исследовательский университет “МЭИ”
Москва, Россия

* E-mail: ghanaman@rambler.ru
** E-mail: oksgrig@yandex.ru

Поступила в редакцию 25.12.2022
После доработки 24.04.2023
Принята к публикации 02.05.2023

Аннотация

Статья посвящена созданию элементной базы нового поколения для водных щелочных электролизеров с анионообменными мембранами. В результате исследований предложены две новые мембраны и различные типы электродов, позволяющие значительно повысить чистоту генерируемых электролизных газов и рабочее выходное давление непосредственно на выходе из электролизного модуля при сохранении низких значений удельного энергопотребления. При этом электролизный модуль полностью состоит из электродно-мембранных блоков. В их состав входят компоненты, проверенные в условиях промышленного щелочного электролиза, что отличает их от известных аналогов по химической устойчивости. Отдельно рассмотрены различные типы катализаторов, которые могут применяться в составе мембранно-электродных блоков. Представлены результаты экспресс-испытаний электродов из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, показан процесс окисления хрома, входящего в состав сплава, что приводит к уменьшению его коррозионной стойкости. При испытаниях электродов на основе стальной сетки, покрытой защитным слоем никеля, выявлена обширная питтинговая коррозия на аноде при его работе при высоких плотностях тока. В качестве альтернативы предложены электроды из никелевой сетки. Данные образцы показали отличную коррозионную стойкость и высокую адгезию к электроосаждаемым катализаторам. В качестве катализаторов были исследованы каталитические покрытия, состоящие из никелевого или никель-кобальтового порошка с дополнительно химически осажденным фосфором.

Ключевые слова: щелочной электролиз воды, анионообменная мембрана, электродно-мембранный блок, каталитические слои

Список литературы

  1. Lee, H.I., Mehdi, M. Kim, K.S., Cho, H.S., Kim, M.J., Cho, W.C., Rhee, Y.W., and Kim, C.H., Advanced Zirfon-type porous separator for a high-rate alkaline electrolyser operating in a dynamic mode, J. Membr. Sci., 2020, vol. 616, p. 118541.

  2. Ju, W., Heinz, M.V.F., Pusterla, L., Hofer, M., Fumey, B., Castiglioni, R., Pagani, M., Battaglia, C., and Vogt, U., ACS Sustainable Chem. Eng., 2018, vol. 6, p. 4829.

  3. Henkensmeier, D., Najibah, M., Harms, C., Zitka, J., Hnat, J., and Bouzek, K., Overview: State-of-the Art Commercial Membranes for Anion Exchange Membrane Water Electrolysis, J. Electrochem. Energy Convers. Storage, 2021, vol. 18, p. 024001-1.

  4. Hickner, M., Herring, A., and Coughlin, B., Anion Exchange Membranes: Current Status and Moving Forward, J. Polymer Sci.: Part B, Polymer Ser., 2013, vol. 51, p. 1727.

  5. Vincent, I., Kruger, A., and Bessarabov, D., Hydrogen production by water electrolysis with an ultrathin anion-exchange membrane (AEM), Int. J. Electrochem. Sci., 2018, vol. 13, p. 11347.

  6. Pavel, C.C., Cecconi, F., Emiliani, C., Santiccioli, S., Scaffidi, A., Catanorchi, S., and Comotti, M., Highly efficient platinum group metal free based membrane-electrode assembly for anion exchange membrane water electrolysis, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, vol. 53, p. 1378.

  7. Кулешов, В.Н., Кулешов, Н.В., Курочкин, С.В., Григорьева, О.Ю. Синтез и исследование электродно-диафрагменных блоков для щелочного электролиза воды. Электрохимия. 2022. Т. 58. С. 253. [Kuleshov, V.N., Kuleshov, N.V., Kurochkin, S.V., and Grigor’eva, O.Yu., Synthesis and Investigation of Electrode–Diaphragm Assemblies for Alkaline Water Electrolysis, Russ. J. Electrochem., 2022, vol. 58, p. 464.]

  8. Кулешов, Н.В., Кулешов В.Н., Довбыш, С.А., Курочкин, С.В., Удрис, Е.Я., Славнов, Ю.А. Полимерные диафрагмы на основе полисульфона для электрохимических устройств со щелочным электролитом. Журн. прикл. химии. 2018. Т. 91. С. 802. [Kuleshov, N.V., Kuleshov, V.N., Dovbysh, S.A., Kurochkin, S.V., Udris, E.Y., and Slavnov, Y.A., Polysulfone-Based Polymeric Diaphragms for Electrochemical Devices with Alkaline Electrolyte, Russ. J. Appl. Chem., 2018, vol. 91, p. 930.]

  9. Pushkareva, I.V., Pushkarev, A.S., Grigoriev, S.A., Modisha, P., and Bessarabov, D.G., Comparative study of anion exchange membranes for low-cost water electrolysis, Int. J. Hydrogen Energy, 2020, vol. 45, p. 26070.

  10. Liu, Z., Sajjad, S. D., Gao, Y., Yang, H., Kaczur, J.J., and Masel, R.I., The effect of membrane on an alkaline water electrolyzer, Int. J. Hydrogen Energy, 2017, vol. 42, p. 29661.

  11. Kuleshov, N.V., Kuleshov, V.N., Dovbysh, S.A., Grigoriev, S.A., Kurochkin, S.V., and Millet, P., Development and performances of a 0.5 kW high-pressure alkaline water electrolyser, Int. J. Hydrogen Energy, 2019, vol. 44, p. 29441.

  12. Кулешов, В.Н., Кулешов, Н.В., Курочкин, С.В. Высокоэффективные электроды для щелочного электролиза воды. Журн. прикл. химии. 2020. Т. 93. С. 1112. [Kuleshov, N.V., Kuleshov, V.N., and Kurochkin, S.V., High Efficiency Electrodes for Alkaline Electrolysis of Water, Russ. J. Appl. Chem., 2020, vol. 93, p. 1146.]

  13. Moranchell, F.A.S., Pineda, J.M.S., Perez, J.N.H., Silva-Rivera, U.S., Escobedo, C.A.C., and Huerta, R. de G.G., Electrodes modified with Ni electrodeposition decrease hexavalent chromium generation in an alkaline electrolysis process, Int. J. Hydrogen Energy, 2020, vol. 45, p. 13683.

  14. Marijan, D., Vukovic, M., Pervan, P., and Milunb, M., Surface Modification of Stainless Steel-304 Electrode. Voltammetric, Rotating Ring-Disc Electrode and XPS Studies, Croatica Chem. Acta, 1999, vol. 4, p. 737.

  15. Todoroki, N. and Wadayama, T., Electrochemical stability of stainless-steel-made anode for alkaline water electrolysis: Surface catalyst nanostructures and oxygen evolution overpotentials under applying potential cycle loading, Electrochem. Commun., 2021, vol. 122, p. 106902.

  16. Durovic, M., Hnat, J., Bernacker, C.I., Rauscher, T., Rontzsch, L., Paidar, M., and Bouzek, K., Nanocrystalline Fe60Co20Si10B10 as a cathode catalyst for alkaline water electrolysis: Impact of surface activation, Electrochim. Acta, 2019, vol. 306, p. 688.

  17. Xiao, L., Yao, P., Xue, T., and Li, F., One-step electrodeposition synthesis of Ni/NiSx@NF catalyst on nickel foam (NF) for hydrogen evolution reaction, Molec. Catal., 2021, vol. 511, p. 111694.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Электрохимия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал