Щелочной электролиз воды с анионообменными мембранами и катализаторами на основе никеля
- Авторы: Кулешов В.Н.1, Курочкин С.В.1, Кулешов Н.В.1, Гаврилюк А.А.1, Пушкарева И.В.1, Климова М.А.1, Григорьева О.Ю.1
-
Учреждения:
- Национальный исследовательский университет “МЭИ”
- Выпуск: Том 59, № 11 (2023)
- Страницы: 735-750
- Раздел: Статьи
- URL: https://journals.rcsi.science/0424-8570/article/view/232678
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0424857023110105
- EDN: https://elibrary.ru/TJMVBI
- ID: 232678
Цитировать
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.
Об авторах
В. Н. Кулешов
Национальный исследовательский университет “МЭИ”
Email: ghanaman@rambler.ru
Россия, Москва
С. В. Курочкин
Национальный исследовательский университет “МЭИ”
Email: oksgrig@yandex.ru
Россия, Москва
Н. В. Кулешов
Национальный исследовательский университет “МЭИ”
Email: oksgrig@yandex.ru
Россия, Москва
А. А. Гаврилюк
Национальный исследовательский университет “МЭИ”
Email: oksgrig@yandex.ru
Россия, Москва
И. В. Пушкарева
Национальный исследовательский университет “МЭИ”
Email: oksgrig@yandex.ru
Россия, Москва
М. А. Климова
Национальный исследовательский университет “МЭИ”
Email: oksgrig@yandex.ru
Россия, Москва
О. Ю. Григорьева
Национальный исследовательский университет “МЭИ”
Автор, ответственный за переписку.
Email: oksgrig@yandex.ru
Россия, Москва
Список литературы
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.]
- 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.]
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.]
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.