Divisão de água - Water splitting
A divisão da água é a reação química na qual a água é decomposta em oxigênio e hidrogênio :
- 2 H 2 O → 2 H 2 + O 2
A separação eficiente e econômica da água seria um avanço tecnológico que poderia sustentar uma economia do hidrogênio , baseada no hidrogênio verde . Uma versão da divisão da água ocorre na fotossíntese , mas o hidrogênio não é produzido. O reverso da divisão da água é a base da célula a combustível de hidrogênio .
Eletrólise
A eletrólise da água é a decomposição da água (H 2 O) em oxigênio (O 2 ) e hidrogênio (H 2 ) devido à passagem de uma corrente elétrica pela água.
Utilização de eletricidade atmosférica para a reação química em que a água é separada em oxigênio e hidrogênio. (Imagem via: Vion, patente dos EUA 28793. Junho de 1860.)
- Vion, Patente US 28.793 , "Método melhorado de usar eletricidade atmosférica", junho de 1860.
Em esquemas de produção de energia para gás , a energia excedente ou fora de pico criada por geradores eólicos ou painéis solares é usada para o equilíbrio de carga da rede de energia, armazenando e posteriormente injetando o hidrogênio na rede de gás natural.
A produção de hidrogênio a partir da água consome muita energia. Os suprimentos de energia elétrica potenciais incluem energia hidrelétrica, turbinas eólicas ou células fotovoltaicas. Normalmente, a eletricidade consumida é mais valiosa do que o hidrogênio produzido, portanto, esse método não tem sido amplamente utilizado. Em contraste com a eletrólise de baixa temperatura, a eletrólise de alta temperatura (HTE) da água converte mais da energia térmica inicial em energia química (hidrogênio), potencialmente dobrando a eficiência para cerca de 50%. Como parte da energia em HTE é fornecida na forma de calor, menos energia deve ser convertida duas vezes (de calor para eletricidade e depois para a forma química) e, portanto, o processo é mais eficiente.
Divisão da água na fotossíntese
Uma versão da divisão da água ocorre na fotossíntese , mas os elétrons são desviados, não para os prótons, mas para a cadeia de transporte de elétrons no fotossistema II . Os elétrons são usados para converter dióxido de carbono em açúcares.
Quando o fotossistema I fica fotoexcitado, as reações de transferência de elétrons são iniciadas, o que resulta na redução de uma série de aceitadores de elétrons, eventualmente reduzindo o NADP + a NADPH e o PS I é oxidado. O fotossistema I oxidado captura elétrons do fotossistema II por meio de uma série de etapas envolvendo agentes como plastoquinona, citocromos e plastocianina. O fotossistema II, então, provoca a oxidação da água resultando na evolução do oxigênio, a reação sendo catalisada por aglomerados de CaMn 4 O 5 embutidos no ambiente de proteínas complexas; o complexo é conhecido como complexo evolutivo de oxigênio (OEC).
Na produção biológica de hidrogênio , os elétrons produzidos pelo fotossistema são desviados não para um aparato de síntese química, mas para as hidrogenases , resultando na formação de H 2 . Este biohidrogênio é produzido em um biorreator .
Divisão fotoeletroquímica da água
O uso de eletricidade produzida por sistemas fotovoltaicos oferece potencialmente a maneira mais limpa de produzir hidrogênio, além da energia nuclear, eólica, geotérmica e hidrelétrica. Novamente, a água é quebrada em hidrogênio e oxigênio por eletrólise, mas a energia elétrica é obtida por um processo de célula fotoeletroquímica (PEC). O sistema também é denominado fotossíntese artificial .
Divisão fotocatalítica de água
A conversão da energia solar em hidrogênio por meio do processo de separação da água é uma forma de obter energia limpa e renovável. Este processo pode ser mais eficiente se for auxiliado por fotocatalisadores suspensos diretamente na água em vez de um sistema fotovoltaico ou eletrolítico, de modo que a reação ocorra em uma única etapa.
Radiólise
Radiação nuclear rotineiramente quebra as ligações de água, na Mponeng mina de ouro , África do Sul , os investigadores encontraram em uma zona naturalmente elevado de radiação , uma comunidade dominada por um novo phylotype de Desulfotomaculum , alimentando-se principalmente radiolytically produzido H 2 . O combustível nuclear usado também está sendo investigado como uma fonte potencial de hidrogênio.
Pó de liga de alumínio nanogalvânico
Um pó de liga de alumínio inventado pelo Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA em 2017 demonstrou ser capaz de produzir gás hidrogênio em contato com água ou qualquer líquido contendo água devido à sua microestrutura galvânica em nanoescala única. Ele gera hidrogênio a 100% do rendimento teórico, sem a necessidade de catalisadores, produtos químicos ou energia fornecida externamente.
Decomposição térmica da água
Na termólise , as moléculas de água se dividem em seus componentes atômicos, hidrogênio e oxigênio . Por exemplo, a 2200 ° C, cerca de três por cento de todo H 2 O são dissociados em várias combinações de átomos de hidrogênio e oxigênio, principalmente H, H 2 , O, O 2 e OH. Outros produtos de reação como H 2 O 2 ou HO 2 permanecem menores. Na temperatura muito alta de 3000 ° C, mais da metade das moléculas de água são decompostas, mas na temperatura ambiente apenas uma molécula em 100 trilhões se dissocia pelo efeito do calor. As altas temperaturas e as restrições de material limitaram as aplicações desta abordagem.
Nuclear-térmica
Um benefício colateral de um reator nuclear que produz eletricidade e hidrogênio é que ele pode deslocar a produção entre os dois. Por exemplo, a usina pode produzir eletricidade durante o dia e hidrogênio à noite, combinando seu perfil de geração elétrica com a variação diária da demanda. Se o hidrogênio puder ser produzido economicamente, este esquema competirá favoravelmente com os esquemas de armazenamento de energia da rede existentes . Além disso, há demanda suficiente de hidrogênio nos Estados Unidos para que toda a geração de pico diária possa ser administrada por essas usinas.
O ciclo híbrido termoelétrico cobre-cloro é um sistema de cogeração que utiliza o calor residual de reatores nucleares, especificamente o reator de água supercrítica CANDU .
Solar térmico
As altas temperaturas necessárias para dividir a água podem ser alcançadas através do uso de energia solar concentrada . Hydrosol-2 é uma planta piloto de 100 quilowatts na Plataforma Solar de Almería, na Espanha, que usa a luz solar para obter os 800 a 1.200 ° C necessários para dividir a água. Hydrosol II está em operação desde 2008. O projeto desta planta piloto de 100 quilowatts é baseado em um conceito modular. Como resultado, pode ser possível que esta tecnologia possa ser facilmente ampliada para a faixa de megawatts, multiplicando as unidades de reator disponíveis e conectando a planta a campos de heliostato (campos de espelhos de rastreamento do sol) de um tamanho adequado.
As restrições de material devido às altas temperaturas exigidas são reduzidas pelo projeto de um reator de membrana com extração simultânea de hidrogênio e oxigênio que explora um gradiente térmico definido e a difusão rápida de hidrogênio. Com a luz solar concentrada como fonte de calor e apenas água na câmara de reação, os gases produzidos são muito limpos, sendo o único contaminante possível a água. Um "Solar Water Cracker" com um concentrador de cerca de 100 m² pode produzir quase um quilograma de hidrogênio por hora de luz solar.
Pesquisar
A pesquisa está sendo conduzida sobre fotocatálise , a aceleração de uma fotorreação na presença de um catalisador. Sua compreensão foi possível desde a descoberta da eletrólise da água por meio do dióxido de titânio. A fotossíntese artificial é um campo de pesquisa que tenta replicar o processo natural da fotossíntese, convertendo luz solar, água e dióxido de carbono em carboidratos e oxigênio. Recentemente, isso teve sucesso em dividir a água em hidrogênio e oxigênio usando um composto artificial chamado Nafion .
Eletrólise de alta temperatura (também HTE ou eletrólise a vapor ) é um método atualmente sendo investigado para a produção de hidrogênio a partir de água com oxigênio como subproduto. Outras pesquisas incluem a termólise em substratos de carbono defeituosos , tornando possível a produção de hidrogênio em temperaturas abaixo de 1000 ° C.
O ciclo do óxido de ferro é uma série de processos termoquímicos usados para produzir hidrogênio . O ciclo do óxido de ferro consiste em duas reações químicas cujo reagente líquido é a água e cujos produtos líquidos são hidrogênio e oxigênio . Todos os outros produtos químicos são reciclados. O processo de óxido de ferro requer uma fonte eficiente de calor.
O ciclo de enxofre-iodo ( ciclo SI) é uma série de processos termoquímicos usados para produzir hidrogênio . O ciclo SI consiste em três reações químicas cujo reagente líquido é a água e cujos produtos líquidos são hidrogênio e oxigênio . Todos os outros produtos químicos são reciclados. O processo SI requer uma fonte eficiente de calor.
Mais de 352 ciclos termoquímicos foram descritos para divisão de água ou termólise . Esses ciclos prometem produzir oxigênio de hidrogênio a partir de água e calor sem usar eletricidade. Como toda a energia de entrada para esses processos é o calor, eles podem ser mais eficientes do que a eletrólise de alta temperatura. Isso ocorre porque a eficiência da produção de eletricidade é inerentemente limitada. A produção termoquímica de hidrogênio usando energia química de carvão ou gás natural geralmente não é considerada, porque o caminho químico direto é mais eficiente.
Para todos os processos termoquímicos, a reação sumária é a da decomposição da água:
![{\ displaystyle {\ ce {2H2O <=> [{\ ce {Heat}}] 2H2 {} + O2}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f87596dad9be266529ce624d24d420a7c5529226)
Todos os outros reagentes são reciclados. Nenhum dos processos de produção termoquímica de hidrogênio foi demonstrado em níveis de produção, embora vários tenham sido demonstrados em laboratórios.
Também há pesquisas sobre a viabilidade de nanopartículas e catalisadores para diminuir a temperatura na qual a água se divide.
Recentemente, materiais baseados em Metal-Organic Framework (MOF) têm se mostrado um candidato altamente promissor para separação em água com metais de transição baratos de primeira linha .
A pesquisa concentra-se nos seguintes ciclos:
| Ciclo termoquímico | Eficiência LHV | Temperatura (° C / F) |
|---|---|---|
| Ciclo de óxido de cério-óxido de cério (III) (CeO 2 / Ce 2 O 3 ) | ? % | 2.000 ° C (3.630 ° F) |
| Ciclo de enxofre híbrido (HyS) | 43% | 900 ° C (1.650 ° F) |
| Ciclo de enxofre e iodo (ciclo SI) | 38% | 900 ° C (1.650 ° F) |
| Ciclo de sulfato de cádmio | 46% | 1.000 ° C (1.830 ° F) |
| Ciclo de sulfato de bário | 39% | 1.000 ° C (1.830 ° F) |
| Ciclo de sulfato de manganês | 35% | 1.100 ° C (2.010 ° F) |
| Ciclo de óxido de zinco e zinco (Zn / ZnO) | 44% | 1.900 ° C (3.450 ° F) |
| Ciclo híbrido de cádmio | 42% | 1.600 ° C (2.910 ° F) |
| Ciclo do carbonato de cádmio | 43% | 1.600 ° C (2.910 ° F) |
| Ciclo do óxido de ferro ( ) | 42% | 2.200 ° C (3.990 ° F) |
| Ciclo do manganês de sódio | 49% | 1.560 ° C (2.840 ° F) |
| Ciclo de ferrita de níquel manganês | 43% | 1.800 ° C (3.270 ° F) |
| Ciclo de ferrita zinco manganês | 43% | 1.800 ° C (3.270 ° F) |
| Ciclo cobre-cloro (Cu-Cl) | 41% | 550 ° C (1.022 ° F) |
