ความก้าวหน้าล่าสุดที่ตีพิมพ์ใน Nature Energy โดยทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทียนจิน มหาวิทยาลัยนิวเม็กซิโก มหาวิทยาลัยซุนยัตเซ็น และสถาบันอื่น ๆ ได้เอาชนะความท้าทายสำคัญของอิเล็กโทรไลเซอร์แบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) ที่ต้องการน้ำบริสุทธิ์ยิ่งยวดได้สำเร็จ โดยการแนะนำออกไซด์แบบบรอนสเตดกรดเข้าไปในชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาคาโทดของอิเล็กโทรไลเซอร์ PEM พวกเขาสร้างสภาพแวดล้อมจุลภาคที่เป็นกรดเข้มข้นในพื้นที่เฉพาะ ซึ่งเป็นการวางรากฐานสำคัญสำหรับการประยุกต์ใช้ไฮโดรเจนเขียวต้นทุนต่ำในหลากหลายสถานการณ์
ภูมิหลังการวิจัย: การพึ่งพาน้ำบริสุทธิ์ยิ่งยวดกลายเป็นจุดคอขวดสำหรับการส่งเสริมเทคโนโลยี
อิเล็กโทรไลเซอร์ PEM เป็นเทคโนโลยีหลักสำหรับการผลิตไฮโดรเจนเขียว แต่กำหนดข้อกำหนดคุณภาพน้ำที่เข้มงวดมาก จำเป็นต้องใช้น้ำบริสุทธิ์ยิ่งยวดที่มีความต้านทานไฟฟ้า 18 MΩ·cm สารปนเปื้อนแคตไอออน เช่น Ca²⁺, Mg²⁺, และ Fe³⁺ ในน้ำป้อนสามารถกระตุ้นปัญหาต่าง ๆ: ในด้านหนึ่ง พวกมันแทรกซึมผ่านเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนและแทนที่ไอออน H⁺ ภายในเมมเบรน ส่งผลให้ค่า pH ท้องถิ่นที่คาโทดเพิ่มสูงขึ้นถึงระดับที่เป็นด่างเข้มข้น ซึ่งยับยั้งจลนศาสตร์ของปฏิกิริวิวัฒนาการไฮโดรเจนและนำไปสู่การตกตะกอนของไฮดรอกไซด์ ทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาเสียสภาพ ในอีกด้านหนึ่ง ไอออนเช่น Fe³⁺ สามารถเริ่มต้นปฏิกิริยาาฟենตัน สร้างสปีชีส์ออกซิเจนปฏิกิริยาที่เร่งการย่อยสลายของเมมเบรนโปรตอน ในที่สุดนำไปสู่การเลิกใช้อิเล็กโทรไลเซอร์ สิ่งนี้ไม่เพียงเพิ่มต้นทุนการบำบัดน้ำล่วงหน้า แต่ยังจำกัดการติดตั้งในภูมิภาคที่ขาดแคลนน้ำ
กลยุทธ์หลัก: การสร้างสภาพแวดล้อมจุลภาคที่เป็นกรดเข้มข้นในพื้นที่เฉพาะ
โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กโทรเคมีแบบส่องกราดร่วมกับเทคโนโลยีอิเล็กโทรดขนาดเล็กยิ่งยวดวัด pH ทีมวิจัยได้ทำการตรวจสอบในตำแหน่งนั้นและพบว่าเมื่อใช้น้ำที่ไม่บริสุทธิ์ ค่า pH ท้องถิ่นที่คาโทดเพิ่มสูงถึง 10.4 ที่ความหนาแน่นกระแส 0.5 A·cm⁻² เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ทีมเสนอกลไก "การควบคุมค่า pH ท้องถิ่น" และเลือกไตรออกไซด์โมลิบดีนัม (MoO₃) ซึ่งแสดงความเป็นกรดบรอนสเตดที่แรงที่สุด ไปยังตัวเร่งปฏิกิริยา Pt/C กลไกการทำงานมีดังนี้: ขับเคลื่อนโดยศักย์คาโทด MoO₃ ส่งเสริมการแยกตัวของโมเลกุลน้ำบนพื้นผิวและเกิดโปรตอนเนชันกลายเป็นโครงสร้าง Mo-O-H หลังจากนั้นปล่อยไอออน H⁺ เข้า้าสู่ชั้นไฟฟ้า้าคู่ที่ส่วนต่อประสานอิเล็กโทรด/อิเล็กโทรไลต์ผ่านวัฏจักร "การแยกน้ำ–โปรตอนเนชัน–ดีโปรตอนเนชัน" ทำให้เกิดสภาพแวดล้อมจุลภาคที่เป็นกรดเข้มข้นอย่างต่อเนื่องบริเวณรอบตัวเร่งปฏิกิริยาในสถานที่นั้น
ผลการค้นพบหลัก: ประสิทธิภาพโดดเด่นในการทำงานกับน้ำที่ไม่บริสุทธิ์
อิเล็กโทรไลเซอร์ใหม่ที่ติดตั้งตัวเร่งปฏิกิริยา MoO₃-Pt/C สามารถรักษาค่า pH ในแคโทดเฉพาะที่ให้อยู่ในช่วงกรดเข้มข้น 2.5–3.5 อย่างเสถียร แม้จะทำงานในน้ำที่มีสิ่งเจือปนของแคตไอออนหลายชนิด เส้นโพลาไรเซชันแสดงให้เห็นว่าว่าประสิทธิภาพของมันใกล้เคียงกับอิเล็กโทรไลเซอร์มาตรฐานที่ทำงานในน้ำบริสุทธิ์ และยังคงเสถียรได้นานกว่า 100 ชั่วโมง ที่ความหนาแน่นกระแส 1.0 A·cm⁻² การทดสอบการทำงานระยะยาวยืนยันว่าว่าสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดเข้มข้นสามารถยับยั้งการตกตะกอนของไฮดรอกไซด์และการสะสมตัวของโลหะได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้กิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาคงอยู่
จุดเด่นสำคัญ: ความก้าวหน้าในการปกป้องเมมเบรนและความทนทานต่อคุณภาพน้ำ
การทดสอบเปรียบเทียบเปิดเผยว่าหลังจากทำงานในน้ำที่มี Fe³⁺ เป็นเวลา 100 ชั่วโมง อิเล็กโทรไลเซอร์มาตรฐานแสดงระดับออกซิเจนปฏิกิริยาสูงมากในน้ำทิ้ง และมีฟลูออไรด์ไอออนจากการย่อยสลายของเมมเบรน โดยมีโครงสร้างเมมเบรนเสียหายและมี Fe สะสมบนแคโทด ในทางตรงกันข้าม ตัวชี้วัดที่เกี่ยวข้องสำหรับอิเล็กโทรไลเซอร์ใหม่เกือบจะเหมือนกับที่สังเกตได้ระหว่างการทำงานในน้ำบริสุทธิ์ โดยไม่มีการย่อยสลายของเมมเบรนอย่างมีนัยสำคัญหรือการสะสมตัวของ Fe การทดสอบที่เข้มงวดยิ่งขึ้นด้วยน้ำประปาเปิดเผยว่าอิเล็กโทรไลเซอร์มาตรฐานล้มเหลวหลังจากทำงานในน้ำประปาไม่ถึง 100 ชั่วโมง ในขณะที่อิเล็กโทรไลเซอร์ใหม่สามารถทำงานได้อย่างเสถียรเกิน 3,000 ชั่วโมงในน้ำประปาที่ความหนาแน่นกระแสระดับอุตสาหกรรม 1.0 A·cm⁻² โดยที่ประสิทธิภาพลดลงน้อยมาก ในการทดสอบสลับ "น้ำบริสุทธิ์–น้ำประปา" แรงดันไฟฟ้า้าของอิเล็กโทรไลเซอร์ใหม่เพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อยจาก 1.71 V เป็น 1.73 V ซึ่งแสดงถึงความไม่ไวต่อคุณภาพน้ำที่สูง
สรุปและแนวโน้ม: การลดต้นทุนและเพิ่มประสิทธิภาพผลักดันการยอมรับไฮโดรเจนสีเขียว
ด้วยการผนวกออกไซด์กรดบรอนสเตด เทคโนโลยีนี้บรรลุผลสามประการ: เอาชนะการเพิ่มขึ้นของ pH ยับยั้งการตกตะกอน และปกป้องเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน ทำให้อิเล็กโทรไลเซอร์แบบ PEM ไม่ต้องพึ่งพาระบบน้ำบริสุทธิ์ยิ่งยวดอีกต่อไป การวิเคราะห์ทางเทคนิค-เศรษฐกิจแสดงให้เห็นว่า ในสถานการณ์ที่ใช้น้ำไม่บริสุทธิ์ สามารถลดต้นทุนระดับของไฮโดรเจนได้ 0.30%–8.19% ประหยัดเงินได้หลายหมื่นถึงหลายแสนดอลลาร์สหรัฐต่อปีความก้าวหน้าครั้งนี้ช่วยลดการลงทุนด้านโครงสร้างพื้นฐานและต้นทุนการดำเนินงานและบำรุงรักษาของการผลิตไฮโดรเจนแบบ PEM อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งเป็นทางออกที่เป็นไปได้สำหรับการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีไฮโดรเจนสีเขียวในวงกว้างในพื้นที่ขาดแคลนน้ำ
