هیدروژن از عنصرهای سبک و فراوان در جهان است که بی رنگ، بی بو و بسیار قابل اشتعال است و نقش مهمی در صنایع انرژی و شیمیایی دارد. تولید هیدروژن به عنوان منبع انرژی پاک، به ویژه در صنایع حمل و نقل و نیروگاه ها، روز به روز اهمیت بیشتری پیدا می کند.
یکی از چالش های اصلی در تولید هیدروژن، انتخاب فلز مناسب برای کاتالیزور یا الکترود است که بتواند واکنش ها را با کارایی بالا و دوام طولانی هدایت کند.
بهترین فلز برای تولید هیدروژن فلزاتی مانند: پلاتین، پالادیوم و نیکل و.. می باشند که هر کدام ویژگی ها و کاربرد های خاص خود را دارند و ما در ادامه مقاله بیشتر به معرفی بهترین فلز برای تولید هیدروژن خواهیم پرداخت، با ما همراه باشید.
پیشنهاد مطالعه :
معرفی بهترین فلزها برای تولید هیدروژن
در تولید هیدروژن الکترولیز آب و فلزات کاتالیزور نقش حیاتی ایفا می کنند. انتخاب بهترین فلزها برای تولید هیدروژن، بهره وری فرآیند را به شکل چشمگیری افزایش و هزینه ها را کاهش می دهد.
فلزات خاصی به دلیل خواص الکتروکاتالیستی منحصر به فردشان در زمینه تولید هیدروژن بهترین گزینه هستند که در ادامه، به معرفی و بررسی مشخصات، ویژگی ها و کاربردهای اصلی بهترین فلز برای تولید هیدروژن میپردازیم.
| فلز | ویژگی | کاربردها |
|---|---|---|
| پلاتین | رسانایی بالا، مقاوم در برابر خوردگی، کاتالیزور قوی | مبدلهای کاتالیستی، الکترودها، جواهرات، صنایع شیمیایی |
| نیکل | مقاوم به اکسیداسیون، خاصیت مغناطیسی، قابل آلیاژسازی | ساخت فولاد ضدزنگ، باتریها، آبکاری، قطعات صنعتی |
| فسفر برنز | مقاومت سایشی و خوردگی، هدایت الکتریکی متوسط، خاصیت فنری | اتصالات الکتریکی، فنرها، یاتاقانها، ابزارهای دقیق |
| آلومینیوم | سبکوزن، مقاوم به خوردگی، رسانای الکتریکی، شکلپذیر | هوافضا، صنایع بستهبندی، سیم برق، بدنه خودرو و لوازم خانگی |
| تیتانیوم | استحکام بالا، سبک، مقاوم در برابر خوردگی، زیستسازگار | پزشکی (ایمپلنت)، هوافضا، تجهیزات دریایی، صنایع نظامی |
| روی | ضدزنگ، نقطه ذوب پایین، اکسیدپذیر | گالوانیزه کردن فولاد، باتریها، آلیاژسازی |
| روتنیوم | رسانای عالی، مقاوم به خوردگی، تقویتکننده کاتالیزورها | الکترودها، حافظههای کامپیوتری (MRAM)، آلیاژهای پلاتین برای کاتالیزور |
| پالادیوم | کاتالیزور عالی، جذبکننده هیدروژن، رسانای خوب | مبدل کاتالیستی خودرو، الکترونیک، دندانپزشکی، تصفیه گاز |
پلاتین
پلاتین (Pt) یک فلز گران بهای سفید نقره ای است که در فلزات گروه پلاتینی (PGM) قرار دارد. این فلز به طور طبیعی به شکل خام یا در آلیاژ با سایر فلزات pmg در لایه و پوسته های نیکل و مس پیدا می شود. پلاتین از طریق فرآیندهای پیچیده استخراج و پالایش سنگ معدن به دست می آید که شامل مراحل: خردایش، فلوتاسیون، ذوب، و تصفیه الکترولیتی یا شیمیایی برای جداسازی از سایر فلزات است.
ویژگی های پلاتین:
- پلاتین به دلیل فعالیت کاتالیزوری بسیار بالا در واکنش های شیمیایی مختلف، به ویژه واکنش تکامل هیدروژن (HER) و واکنش اکسیداسیون هیدروژن (HOR) دارد.
- در برابر خوردگی و اکسیداسیون، حتی در دماهای بالا مقاومت بالایی دارد.
- پایداری شیمیایی و حرارتی بالایی دارد.
- قابل انعطاف است و می توان آن را به اشکال مختلف درآورد.
کاربردها و صنعت مرتبط با پلاتین:
- اصلی ترین کاربرد پلاتین در تولید هیدروژن، به عنوان کاتالیزور در الکترولایزرهای غشا، تبادل پروتون است. این الکترولایزرها برای تولید هیدروژن با خلوص بالا و کارایی بالا استفاده می شوند. پلاتین همچنین در سلول های سوختی برای تبدیل هیدروژن و اکسیژن به برق به کار می رود.
- در مبدل های کاتالیزوری برای کاهش آلاینده های اگزوز خودرو کاربرد دارد.
- کاتالیزور مناسبی در تولید اسید نیتریک و سایر مواد شیمیایی است.
- به دلیل ظاهر زیبا و عدم واکنش پذیری در جواهر سازی و پزشکی نیز کاربرد دارد.
نیکل
نیکل (Ni) یک فلز براق، سفید نقرهای با ته رنگ طلایی است که در گروه آهن و کبالت قرار دارد. نیکل از طریق استخراج سنگ معدن های حاوی نیکل مانند: نیکلیت، پنلاندیت، یا گارنیریت به دست می آید. فرآیند تولید شامل مراحل خردایش، فلوتاسیون، تشویه، ذوب و تصفیه برای رسیدن به خلوص بالا است، مثل تصفیه الکترولیتی یا فرآیند مونل.
ویژگی های نیکل:
- کاتالیزور خوبی برای واکنش های تولید هیدروژن، به ویژه در محیط های قلیایی و دمای بالا دارد و ارزانتر از پلاتین و پالادیوم است.
- مقاومت خوبی در برابر مواد قلیایی و خوردگی دارد.
- در دمای اتاق مغناطیسی است.
- نیکل مقاومت خوبی در برابر خراشیده شدن، ساییدگی و تغییر شکل دارد و قابلیت شکل دهی بدون اینکه ترک بخورد، دارد.
کاربردها و صنعت مرتبط با نیکل:
- به عنوان کاتالیزور در الکترولایزرهای قلیایی و همچنین در فرآیند اصلاح بخار متان برای تولید هیدروژن از گاز طبیعی استفاده میشود. همچنین در توسعه کاتالیزورهای جایگزین برای پلاتین در سلول های سوختی ارزانتر است.
- جزء کلیدی در تولید فولاد ضد زنگ و آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت و خوردگی است.
- در باتری های نیکل کادمیم و نیکل متال هیدرید وجود دارد.
- برای آبکاری و تولید سکه قابل استفاده است.
فسفر برنز
فسفر برنز یک آلیاژ برنز است که حدود 85 تا 95% از مس و حدود 0.5 تا 11% از قلع تشکیل شده و حدود 0.01 تا 0.35% فسفر به آن اضافه می شود. فسفر به عنوان یک عامل اکسیژن زدایی عمل می کند و باعث افزایش استحکام، سختی و مقاومت به سایش و خوردگی آلیاژ می شود. این آلیاژ از ذوب مس، قلع و فسفر در دماهای بالا و سپس ریخته گری و شکل دهی به شکل مورد نظر ساخته می شود.
ویژگی های فسفر برنز:
- نسبت به برنز معمولی محکم و سخت تر است.
- مقاومت عالی در برابر سایش و خوردگی، به ویژه در محیط های دریایی دارد.
- دارای خاصیت فنری خوب و انعطاف پذیری بالایی دارد.
- هدایت الکتریکی (توانایی در برابر عبور جریان برق) قابل قبولی دارد.
کاربردها و صنعت مرتبط به فسفر برنز:
- در کاربردهای تولید هیدروژن، فسفر برنز به طور مستقیم به عنوان کاتالیزور برای تولید هیدروژن استفاده نمیشود، اما به دلیل مقاومت به خوردگی و خواص مکانیکی خوب، می تواند در ساخت قطعات و اتصالات در سیستم های تولید، ذخیره سازی یا انتقال هیدروژن، به ویژه در محیط هایی که نیاز به مقاومت مکانیکی و شیمیایی دارند، به کار رود.
- در ساخت فنرها، بلبرینگ ها، چرخ دنده ها، اتصالات الکتریکی و سیم های ساز استفاده می شود.
- در ساخت قطعات کشتی و تجهیزات دریایی به دلیل مقاومت در برابر آب شور کاربرد دارد.
آلومینیوم
آلومینیوم (Al) یک فلز سبک، نقره ای رنگ و چکش خوار و قابل شکل دهی است که فراوان ترین فلز در پوسته زمین است. آلومینیوم به طور طبیعی به شکل خالص یافت نمی شود، بلکه از سنگ معدن بوکسیت استخراج می شود.
فرآیند تولید شامل دو مرحله اصلی است: فرآیند بایر برای تولید آلومینا (اکسید آلومینیوم) از بوکسیت، و سپس فرآیند هال-هرولت برای ذوب الکترولیتی آلومینا و تولید آلومینیوم فلزی می باشد.
ویژگی های آلومینیوم:
- سبکی وزن حدود یک سوم وزن فولاد دارد.
- مقاومت عالی در برابر خوردگی (فرسودگی و زنگ زدگی) به دلیل تشکیل یک لایه محافظ اکسید بر روی سطح آن دارد.
- رسانای بالایی در برابر گرما و الکتریسیته دارد.
- به راحتی قابل بازیافت است.
کاربردها و صنعت مرتبط با آلومینیوم:
- آلومینیوم به طور مستقیم کاتالیزور برای الکترولیز آب نیست، اما به دلیل سبکی وزن و مقاومت در برابر خوردگی، میتواند در ساخت مخازن ذخیره سازی هیدروژن به ویژه برای هیدروژن مایع LNG و همچنین در آلیاژهای مورد استفاده در زیر ساخت های حمل و نقل هیدروژن نقش داشته باشد. برخی تحقیقات نشان می دهند که واکنش آلومینیوم با آب می تواند هیدروژن تولید کند، که یک روش بالقوه برای تولید هیدروژن در محل است.
- در ساخت هواپیما، خودروها و قطعات سبک وزن استفاده می شود.
- برای ساخت قوطی های نوشابه، فویل آلومینیومی برای بسته بندی کاربرد دارد.
- در ساخت و ساز برای پنجره ها، درها و سازه های سبک استفاده می شود.
تیتانیوم
تیتانیوم (Ti) یک فلز براق، سفید نقره ای، سبک و بسیار مقاوم است. این فلز به طور طبیعی در سنگ معدن های مختلف مانند ایلمنیت و روتیل یافت می شود. تولید تیتانیوم فلزی یک فرآیند پیچیده و پرهزینه به نام فرآیند کرول است که شامل تبدیل سنگ معدن به تتراکلرید تیتانیوم و سپس کاهش آن با منیزیم یا سدیم در دمای بالا در محیط بی اکسیژن است.
ویژگیهای تیتانیوم:
- نسبت استحکام به وزن بالا دارد و بسیار قوی و در عین حال سبک است.
- مقاومت فوق العاده در برابر خوردگی، به ویژه در محیط های آب شور، اسیدها و کلر دارد.
- با بدن انسان سازگار است.
- نقطه ذوب بسیار بالایی دارد.
کاربردها و صنعت مرتبط با تیتانیوم:
- تیتانیوم به طور مستقیم کاتالیزور نیست، اما به دلیل مقاومت عالی به خوردگی در محیط های الکترولیتی و استحکام بالا، به طور گسترده در ساخت صفحات دو قطبی و سایر اجزای حیاتی در الکترولایزرهای PEM و قلیایی پیشرفته استفاده می شود. همچنین برای ساخت مخازن با فشار بالا برای ذخیره سازی هیدروژن و خطوط لوله انتقال هم قابلیت دارد.
- در ساخت هواپیما، موشک، فضاپیما و تجهیزات نظامی استفاده می شود.
- در ایمپلنت های جراحی و پروتزها کاربرد دارد.
- در تجهیزاتی که در معرض مواد خورنده قرار دارند، استفاده می شود.
روی
روی (Zn) یک فلز شکننده، آبی-سفید و براق است که در دمای اتاق، شکننده است، اما در دمای 100 تا 150 درجه سانتی گراد قابلیت شکل گیری دارد. روی بیشتر از سنگ معدن اسفالریت استخراج می شود. فرآیند تولید شامل: خردایش، فلوتاسیون برای غنی سازی و سپس تشویه برای تبدیل به اکسید روی است. در نهایت، اکسید روی به روش الکترولیتی یا پیرومتالورژی به روی فلزی تبدیل می شود.
ویژگی های روی:
- بیشتر برای محافظت از فلزات دیگر در برابر خوردگی استفاده میشود.
- رسانای خوب برای گرما و الکتریسیته است.
- برای سلامتی انسان در مقادیر کم مضر نیست.
کاربردها و صنعت مرتبط با روی:
- روی به طور مستقیم کاتالیزور الکترولیز آب نیست. با این حال، تحقیقاتی روی چرخه های حرارتی روی اکسید روی برای تولید هیدروژن با استفاده از انرژی خورشیدی متمرکز شده اند. در این فرایند، اکسید روی در دمای بالا تجزیه شده و هیدروژن از واکنش روی فلزی با بخار آب تولید می شود.
- اصلیترین کاربرد آن برای پوشش دهی فولاد و آهن به منظور جلوگیری از زنگ زدگی ست.
- در باتری های روی-کربن و روی-هوا قابل استفاده است.
- در آلیاژهای برنج و سایر آلیاژها قابل استفاده است.
روتنیوم
روتنیوم (Ru) یک فلز گران بهای کمیاب، سخت و براق از فلزات گروه پلاتین است. این فلز به طور طبیعی در لایه های پلاتین و نیکل یافت می شود. تولید روتنیوم شامل فرآیندهای پیچیده جداسازی و تصفیه از سایر فلزات پلاتینی است که بسیار دشوار و پرهزینه است.
ویژگی های روتنیوم:
- از سخت ترین فلزات پلاتین، اما در عین حال شکننده است.
- مقاومت استثنایی در برابر خوردگی، حتی در برابر بسیاری از اسیدها و محیط های خورنده دارد.
- کاتالیزور بسیار فعال در واکنش های شیمیایی خاص، از جمله تولید هیدروژن است.
کاربردها و صنعت مرتبط با روتنیوم:
- روتنیوم به دلیل فعالیت کاتالیزوری بالا، به عنوان یک کاتالیزور بالقوه و ارزانتر از پلاتین در الکترولایزرهای PEM و همچنین در فرآیندهای تولید هیدروژن از بیومس یا اتانول مورد تحقیق قرار گرفته است. همچنین در توسعه کاتالیزورهای جدید برای سلول های سوختی نیز قابل استفاده است.
- در ساخت مقاومت ها و کنتاکت های الکتریکی استفاده می شود.
- برای افزایش سختی و مقاومت به خوردگی در آلیاژهای پلاتین و پالادیوم کاربرد دارد.
- به عنوان پوشش های مقاوم در برابر سایش عمل می کند.
پالادیوم
پالادیوم (Pd) یک فلز گران بها، سفید-نقرهای و براق از فلزات گروه پلاتین است که شبیه پلاتین است. این فلز عمدتا به عنوان محصول جانبی از فرآوری نیکل، مس و سایر فلزات پلاتینی به دست می آید. فرآیند تولید شامل مراحل پیچیده شیمیایی و الکترولیتی برای جداسازی و خالص سازی پالادیوم است.
ویژگی های پالادیوم:
- دارای توانایی بی نظیر در جذب مقادیر زیادی هیدروژن تا 900 برابر حجم خود در دمای اتاق است.
- کاتالیزور بسیار فعال در بسیاری از واکنش های شیمیایی، از جمله هیدروژناسیون و دی هیدروژناسیون می باشد.
- مقاومت خوبی در برابر خوردگی دارد.
- بسیار قابل انعطاف است.
کاربردها و صنعت مرتبط با پالادیوم:
- پالادیوم به دلیل قابلیت استثنایی خود در ذخیره سازی هیدروژن، مورد توجه بسیاری در تحقیقات مربوط به آینده انرژی هیدروژن است. همچنین به عنوان کاتالیزور در غشاهای تصفیه هیدروژن برای تولید هیدروژن فوق خالص و در واکنش های تولید هیدروژن در شرایط خاص کاربرد دارد.
- کاربرد اصلی آن در مبدل های کاتالیزوری برای کاهش آلاینده های خودرو است.
- در کنتاکت ها و خازن های الکتریکی استفاده می شود.
- در آلیاژهای دندانی و جواهر سازی قابل استفاده است.
این بررسی نشان میدهد که هر یک از این فلزات، چه به عنوان کاتالیزور مستقیم و چه به عنوان جزء حیاتی در زیرساخت های تولید و ذخیره سازی، نقشی کلیدی در پیشبرد فناوری های هیدروژن ایفا می کنند.
منابع تولید هیدروژن
هیدروژن به عنوان یک منبع انرژی پاک و تجدیدپذیر، از منابع متنوعی تولید می شود که به دو دسته آزمایشگاهی و صنعتی تقسیم می شود هر یک مزایا و معایب خاص خود را دارند.
این گاز می تواند به شکل های مختلفی استخراج و تهیه شود تا در صنایع مختلف به کار گرفته شود و در صورتی که گاز هیدروژن از طریق انجام واکنش های شیمیایی تولید شود در دسته روش تولید آزمایشگاهی جای دارد. از منابع تولید هیدروژن می توانیم به موارد زیر اشاره کنیم:
- الکترولیز آب، رایجترین روش
- اصطکاک بخار با سوخت های فسیلی (مثل گاز طبیعی)
- فرایند کلر آلکالی
- برقکافت محلول کلرید سدیم
- بازیافت پالایشگاه های نفت
- بازیافت گاز کوره کک در صنایع فولاد
- گازدهی زغال سنگ
- بیوگاز و زیست توده
- تجزیه حرارتی آب (ترموشیمیایی)
- تولید زیستی توسط میکروارگانیسم ها
کلام آخر
انتخاب بهترین فلز برای تولید هیدروژن نقش کلیدی در بهبود بازده و کاهش هزینه های فرآیند دارد، فلزاتی مانند پلاتین، پالادیوم و نیکل به دلیل خاص کاتالیزوری بالا، پایداری و مقاومت در برابر خوردگی، به عنوان بهترین گزینه ها شناخته می شوند.
هرکدام از این فلزات بسته به نوع واکنش و شرایط عملیاتی مزایای خاص خود را دارند و استفاده بهینه از این فلزات می تواند به توسعه فناوری های هیدروژن کمک شایانی کند.
