Dalam upaya berkelanjutan Tiongkok untuk mengatasi perubahan iklim dan memfasilitasi transisi ke ekonomi hijau dan rendah karbon, target 3060 (puncak karbon pada tahun 2030 dan netralitas karbon pada tahun 2060) merupakan strategi penting. Komitmen ini, yang merupakan bagian integral dari tujuan lingkungan jangka panjang Tiongkok, berfungsi sebagai landasan bagi upaya netralitas karbon global. Aspek penting dari strategi ini adalah pengembangan dan penerapan metode produksi hidrogen bersih, terutama produksi hidrogen melalui elektrolisis air. Sebagai salah satu metode utama untuk memproduksi hidrogen hijau, elektrolisis air memainkan peran penting dalam mencapai tujuan pengurangan karbon yang ambisius di negara ini. Efisiensi produksi hidrogen melalui elektrolisis sangat dipengaruhi oleh tegangan sel elektrolitik, yang dipengaruhi oleh berbagai faktor. Artikel ini akan mengeksplorasi faktor-faktor yang mempengaruhi tegangan sel elektrolisis dan peran penting bahan diafragma dalam produksi hidrogen.
Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Tegangan Sel Elektrolisis
1. Struktur Membran
Salah satu faktor paling berpengaruh dalam menentukan tegangan sel elektrolisis adalah struktur membran yang digunakan dalam proses elektrolisis. Membran berfungsi sebagai penghalang antara katoda dan anoda, memisahkan gas hidrogen dan oksigen yang dihasilkan. Beberapa sifat membran mempengaruhi proses elektrolisis, termasuk bahan, ketebalan, porositas, dan sifat permukaan. Membran berkualitas tinggi dengan resistansi rendah memungkinkan aliran ion lebih mudah, mengurangi tegangan sel elektrolisis. Bahan membran dengan konduktivitas ionik yang lebih baik akan memfasilitasi pergerakan ion lebih efektif, yang mengarah pada kebutuhan energi yang lebih rendah untuk proses elektrolisis.
2. Kepadatan Arus
Kepadatan arus, atau jumlah arus listrik yang melewati area tertentu dari elektrolit, secara langsung mempengaruhi tegangan sel elektrolitik. Saat kepadatan arus meningkat, tegangan sel elektrolitik biasanya juga meningkat. Kenaikan tegangan ini disebabkan oleh faktor-faktor seperti resistansi ohmik, resistansi polarisasi, dan pembangkitan panas dalam sistem. Kepadatan arus yang tinggi dapat menyebabkan kerugian energi yang signifikan akibat resistansi ini, yang kemudian memerlukan tegangan yang lebih tinggi untuk mempertahankan proses elektrolisis.
3. Konsentrasi Kalium Hidroksida
Elektrolit yang digunakan dalam elektrolisis air sering kali adalah larutan kalium hidroksida (KOH). Konsentrasi KOH memainkan peran penting dalam menentukan konduktivitas elektrolit, yang pada gilirannya mempengaruhi tegangan sel elektrolisis. Konsentrasi KOH yang lebih tinggi umumnya menghasilkan konduktivitas yang lebih baik, yang mengurangi resistansi dalam sel dan menurunkan tegangan yang diperlukan. Biasanya, konsentrasi KOH sekitar 30% dipertahankan dalam sistem elektrolisis alkali. Jika konsentrasi terlalu rendah, resistansi meningkat, dan tegangan sel harus naik untuk mengkompensasi kurangnya aliran ion.
4. Jarak Antara Elektroda
Jarak antara katoda dan anoda adalah faktor penting lainnya yang mempengaruhi tegangan sel elektrolisis. Jarak yang lebih besar antara elektroda meningkatkan panjang jalur untuk migrasi ion, yang meningkatkan resistansi dalam elektrolit dan, akibatnya, tegangan yang diperlukan untuk mendorong proses elektrolisis. Jarak elektroda yang tepat memastikan distribusi medan listrik yang seragam dan meminimalkan dampak buruk pada stabilitas tegangan. Jarak elektroda yang tidak memadai dapat menyebabkan area lokal dengan resistansi tinggi, yang mengakibatkan permintaan tegangan yang lebih tinggi.
5. Volume Sirkulasi Larutan Alkali
Sirkulasi elektrolit, atau larutan alkali, di sekitar elektroda adalah parameter penting lainnya yang mempengaruhi tegangan sel elektrolisis. Sirkulasi yang tepat memastikan bahwa konsentrasi ion di dekat permukaan elektroda tetap seragam, mempromosikan elektrolisis yang efisien. Jika volume sirkulasi tidak mencukupi, elektrolit dapat menjadi kekurangan ion di dekat elektroda, yang menyebabkan peningkatan tegangan sel. Selain itu, sirkulasi yang buruk dapat mengakibatkan akumulasi produk reaksi di sekitar permukaan elektroda, yang menghambat kontak antara elektrolit dan elektroda, meningkatkan tegangan yang diperlukan.
6. Suhu
Suhu memainkan peran penting dalam tegangan sel elektrolisis. Saat suhu meningkat, viskositas elektrolit menurun, memungkinkan ion bergerak lebih bebas dan meningkatkan konduktivitas listrik elektrolit. Ini, pada gilirannya, menurunkan resistansi dalam sistem dan mengurangi tegangan yang diperlukan. Namun, suhu yang terlalu tinggi dapat menyebabkan efek samping yang tidak diinginkan seperti percepatan degradasi membran, ketidakefisienan evolusi gas, dan ketidakstabilan sistem. Oleh karena itu, menjaga rentang suhu yang optimal sangat penting untuk memastikan efisiensi elektrolisis sambil mencegah kerusakan pada sistem.
7. Kotoran dalam Larutan Alkali
Kehadiran kotoran dalam elektrolit dapat mengubah konduktivitas ionik larutan dan mempengaruhi tegangan sel elektrolisis. Kotoran dapat berpartisipasi dalam reaksi sampingan pada elektroda atau bahkan mencemari membran, yang mengakibatkan efisiensi berkurang dan tegangan meningkat. Kotoran umum dalam larutan alkali termasuk ion logam, senyawa organik, dan kontaminan dari bahan elektroda atau membran. Kotoran ini dapat mengganggu reaksi elektrokimia yang dimaksudkan dan meningkatkan resistansi elektrolit, memerlukan tegangan yang lebih tinggi untuk mempertahankan proses.
8. Lapisan Aktif Elektroda
Lapisan elektroda, terutama yang mengandung logam mulia seperti platinum atau iridium, memainkan peran penting dalam mengurangi tegangan yang diperlukan untuk reaksi elektrokimia. Lapisan ini meningkatkan aktivasi elektroda, memungkinkan reaksi berlangsung lebih efisien. Dengan meningkatkan aktivitas katalitik pada elektroda, lapisan aktif mengurangi overpotensial, yaitu tegangan ekstra yang diperlukan untuk mendorong reaksi. Penggunaan lapisan elektroda berkualitas tinggi dapat secara signifikan mengurangi tegangan sel elektrolisis dan meningkatkan efisiensi sistem secara keseluruhan.
9. Jumlah Mulai dan Berhenti
Proses start-up dan shutdown dalam sistem elektrolisis juga mempengaruhi kinerja sel elektrolitik dari waktu ke waktu. Setiap start-up dan shutdown memperkenalkan sejumlah polarisasi pada permukaan elektroda, yang secara bertahap terakumulasi dengan siklus berulang. Polarisasi ini menyebabkan peningkatan overpotensial yang diperlukan untuk elektrolisis, yang pada gilirannya meningkatkan tegangan keseluruhan sistem. Seringnya mulai dan berhenti juga dapat mempengaruhi stabilitas membran, lebih lanjut mempengaruhi efisiensi elektrolisis.
Peran Bahan Diafragma dalam Produksi Hidrogen melalui Elektrolisis Air
Seiring dengan semakin populernya elektrolisis air sebagai metode produksi hidrogen, diafragma, atau membran, memainkan peran penting dalam memastikan efisiensi dan keamanan proses. Diafragma bertindak sebagai penghalang fisik yang memisahkan hidrogen dan oksigen yang dihasilkan di katoda dan anoda, masing-masing. Selain fungsi pemisahannya, diafragma memfasilitasi pergerakan ion dalam elektrolit, sehingga memungkinkan reaksi elektrokimia yang diperlukan untuk produksi hidrogen.
1. Transportasi Ion
Diafragma memungkinkan transfer selektif ion, seperti ion hidroksida dalam sistem elektrolisis alkali. Transportasi ion ini penting untuk menjaga kontinuitas proses elektrolisis. Diafragma harus cukup permeabel untuk memungkinkan lewatnya ion tetapi tidak dapat ditembus oleh gas seperti hidrogen dan oksigen, yang harus dijaga terpisah untuk mencegah rekombinasi.
2. Penghalang Keamanan untuk Gas
Salah satu fungsi utama diafragma adalah mencegah percampuran atau perembesan gas antara elektroda. Jika hidrogen dan oksigen bercampur, mereka dapat membentuk campuran yang mudah meledak, menimbulkan risiko keamanan yang signifikan. Oleh karena itu, diafragma bertindak sebagai penghalang keamanan, memastikan bahwa gas yang dihasilkan di katoda dan anoda tetap terisolasi.
3. Isolasi Listrik
Diafragma juga berfungsi sebagai isolator listrik, mencegah transfer elektron antara elektroda. Ini memastikan bahwa proses elektrolisis berlangsung dengan cara yang terkendali, dengan aliran arus terbatas pada larutan elektrolit. Dengan demikian, diafragma membantu menjaga efisiensi proses elektrolisis dengan memastikan bahwa arus mengalir hanya melalui jalur ionik yang dimaksudkan.
Peran BoLian dalam Industri Hidrogen
BoLian, sebuah perusahaan yang berada di garis depan teknologi kain saring dan bahan membran, telah menyadari pentingnya produksi hidrogen dalam konteks upaya global untuk mengurangi emisi karbon. Hidrogen semakin dilihat sebagai landasan transisi menuju ekonomi rendah karbon, menawarkan solusi energi bersih dan berkelanjutan untuk berbagai industri. Dengan keahliannya yang mendalam dalam ilmu material, BoLian telah merangkul peran dalam menginovasi bahan membran untuk elektrolisis air, sebuah metode yang secara luas dianggap sebagai salah satu cara paling efisien dan berkelanjutan untuk memproduksi hidrogen hijau. Membran inovatif ini sangat penting untuk meningkatkan efisiensi dan kinerja sistem elektrolisis air, memastikan bahwa proses produksi hidrogen dapat memenuhi tuntutan tujuan dekarbonisasi global.
Pada tahun 2024, BoLian semakin memperkuat posisinya dengan mengumumkan kolaborasi strategis dengan Universitas Politeknik Dalian. Kemitraan ini berfokus pada pengembangan bahan membran komposit yang dirancang khusus untuk produksi hidrogen. Tujuannya adalah untuk meningkatkan bahan diafragma yang ada, meningkatkan kinerjanya dalam hal konduktivitas ion, kekuatan mekanik, dan ketahanan kimia. Penelitian mutakhir BoLian telah menghasilkan pengembangan membran komposit baru yang tidak hanya menunjukkan efisiensi superior tetapi juga menawarkan skalabilitas yang lebih baik, atribut penting untuk produksi hidrogen skala besar. Kemajuan ini diharapkan memainkan peran penting dalam mengurangi biaya keseluruhan hidrogen hijau, menjadikannya lebih kompetitif dengan sumber energi berbasis bahan bakar fosil tradisional.
Kesimpulan
Produksi hidrogen melalui elektrolisis air siap memainkan peran penting dalam upaya global untuk mencapai netralitas karbon. Seiring dengan meningkatnya permintaan energi bersih, efisiensi sistem elektrolisis akan menjadi penting untuk memastikan bahwa hidrogen tetap menjadi alternatif yang layak untuk bahan bakar fosil. Efisiensi proses ini sangat bergantung pada faktor-faktor seperti struktur membran, densitas arus, konsentrasi elektrolit, jarak elektroda, dan suhu. Bahan diafragma, khususnya, sangat penting untuk memastikan keamanan, efisiensi, dan umur panjang sistem elektrolisis dengan menyediakan fungsi penting seperti pemisahan gas, transportasi ion, dan isolasi listrik. Inovasi dalam bahan-bahan ini akan sangat penting untuk mengoptimalkan kinerja elektrolisis dan memungkinkan adopsi luas hidrogen sebagai sumber energi bersih.
Seiring dengan pertumbuhan industri hidrogen, kemajuan dalam teknologi membran, seperti yang dikembangkan oleh BoLian, akan menjadi kunci untuk meningkatkan kinerja sel elektrolisis. Inovasi ini akan membantu mengurangi konsumsi energi produksi hidrogen dan meningkatkan skalabilitas sistem, mempercepat adopsi hidrogen hijau sebagai komponen kunci dari masa depan energi rendah karbon. Dengan penelitian yang berkelanjutan dan kemitraan strategisnya, BoLian siap untuk tetap berada di garis depan bidang yang menarik dan berkembang pesat ini, berkontribusi pada dorongan global menuju solusi energi berkelanjutan.
