In een enkel uur, meer energie van de zon raakt de aarde dan alle energie die de mensheid in een heel jaar verbruikt. Stel je voor dat de energie van de zon kan worden gebruikt om de energiebehoeften op aarde te voeden, en gedaan op een manier die economisch is, schaalbaar, en ecologisch verantwoord. Onderzoekers hebben dit lang gezien als een van de grote uitdagingen van de 21e eeuw.

Daniël Esposito, assistent-professor chemische technologie aan Columbia Engineering, heeft waterelektrolyse bestudeerd - de splitsing van water in zuurstof (O2) en waterstof (H2) brandstof - als een manier om elektriciteit van fotovoltaïsche zonne-energie (PV's) om te zetten in opslagbare waterstofbrandstof. Waterstof is een schone brandstof die momenteel wordt gebruikt om raketten aan te drijven in het ruimteprogramma van NASA en waarvan algemeen wordt verwacht dat het een belangrijke rol zal spelen in een duurzame energietoekomst. De overgrote meerderheid van de huidige waterstof wordt geproduceerd uit aardgas via een proces dat stoom-methaanreforming wordt genoemd, waarbij tegelijkertijd CO2 vrijkomt. maar elektrolyse van water met behulp van elektriciteit uit fotovoltaïsche zonne-energie biedt een veelbelovende route om H2 te produceren zonder de bijbehorende CO2-uitstoot.

Het team van Esposito heeft nu een nieuw fotovoltaïsch aangedreven elektrolyse-apparaat ontwikkeld dat kan werken als een op zichzelf staand platform dat op open water drijft. Zijn drijvende PV-elektrolyser kan worden gezien als een "platform voor zonnebrandstoffen" dat enige gelijkenis vertoont met diepzee-olieplatforms, behalve dat het waterstofbrandstof zou produceren uit zonlicht en water in plaats van aardolie uit de zeebodem te halen. De studie, "Drijvende membraanloze PV-elektrolyzer op basis van door drijfvermogen aangedreven productscheiding, " werd vandaag gepubliceerd door Internationaal tijdschrift voor waterstofenergie .

De belangrijkste innovatie van de onderzoekers is de methode waarmee ze de H2- en O2-gassen scheiden die worden geproduceerd door waterelektrolyse. State-of-the-art elektrolyzers gebruiken dure membranen om de scheiding van deze twee gassen te handhaven. Het Columbia Engineering-apparaat vertrouwt in plaats daarvan op een nieuwe elektrodeconfiguratie waarmee de gassen kunnen worden gescheiden en verzameld met behulp van het drijfvermogen van bellen in water. Het ontwerp maakt een efficiënte werking mogelijk met een hoge productzuiverheid en zonder actief de elektrolyt te verpompen. Gebaseerd op het concept van door drijfvermogen geïnduceerde scheiding, de eenvoudige elektrolyse-architectuur produceert H2 met een zuiverheid van wel 99 procent.

"De eenvoud van onze PV-elektrolyse-architectuur - zonder membraan of pompen - maakt ons ontwerp bijzonder aantrekkelijk voor toepassing op zeewaterelektrolyse, dankzij het potentieel voor lage kosten en hogere duurzaamheid in vergelijking met huidige apparaten die membranen bevatten, " zegt Esposito, wiens Solar Fuels Engineering Laboratory zonne- en elektrochemische technologieën ontwikkelt die hernieuwbare en overvloedige zonne-energie omzetten in opslagbare chemische brandstoffen. "We zijn van mening dat ons prototype de eerste demonstratie is van een praktisch membraanloos drijvend PV-elektrolysesysteem, en zou kunnen inspireren tot grootschalige 'zonnebrandstofplatforms' die grote hoeveelheden H2-brandstof kunnen genereren uit overvloedig zonlicht en zeewater zonder enige ruimte op het land in beslag te nemen of te concurreren met zoet water voor landbouwdoeleinden."

Commerciële elektrolyseapparaten vertrouwen op een membraan, of verdeler, om de elektroden in het apparaat te scheiden waaruit H2- en O2-gas worden geproduceerd. Het meeste onderzoek naar elektrolyse-apparaten is gericht op apparaten met een membraan. Deze membranen en verdelers zijn vatbaar voor degradatie en falen en vereisen een zeer zuivere waterbron. Zeewater bevat onzuiverheden en micro-organismen die deze membranen gemakkelijk kunnen vernietigen.

"Het veilig kunnen demonstreren van een apparaat dat elektrolyse kan uitvoeren zonder membraan, brengt ons weer een stap dichter bij het mogelijk maken van zeewaterelektrolyse, " zegt Jack Davis, de eerste auteur van het artikel en een promovendus die met Esposito werkt. "Deze generatoren voor zonne-energie zijn in wezen kunstmatige fotosynthesesystemen, hetzelfde doen als planten met fotosynthese, dus ons apparaat kan allerlei mogelijkheden bieden om schone, hernieuwbare energie."

Cruciaal voor de werking van Esposito's PV-elektrolyzer is een nieuwe elektrodeconfiguratie die bestaat uit mesh-doorstroomelektroden die slechts aan één kant met een katalysator zijn gecoat. Deze asymmetrische elektroden bevorderen de ontwikkeling van gasvormige H2- en O2-producten op alleen de buitenoppervlakken van de elektroden waar de katalysatoren zijn afgezet. Wanneer de groeiende H2- en O2-bellen groot genoeg worden, hun drijfvermogen zorgt ervoor dat ze loskomen van de elektrode-oppervlakken en naar boven drijven in afzonderlijke bovenliggende verzamelkamers.

Het team gebruikte de Columbia Clean Room om platina-elektrokatalysatoren op de mesh-elektroden te deponeren en de 3D-printers in de Columbia Makerspace om veel van de reactorcomponenten te maken. Ze gebruikten ook een hogesnelheidsvideocamera om het transport van H2- en O2-bellen tussen elektroden te volgen, een proces dat bekend staat als 'crossover'. Crossover tussen elektroden is ongewenst omdat het de productzuiverheid vermindert, wat leidt tot bezorgdheid over de veiligheid en de behoefte aan stroomafwaartse scheidingseenheden die het proces duurder maken.

Om H2- en O2-crossover-gebeurtenissen te volgen, de onderzoekers verwerkten vensters in al hun elektrolyse-apparaten, zodat ze high-speed video's konden maken van de evolutie van gasbellen van de elektroden terwijl het apparaat in werking was. Deze video's werden meestal gemaakt met een snelheid van 500 frames per seconde (een typische iPhone legt video vast met een snelheid van 30 frames per seconde).

Het team verfijnt hun ontwerp voor een efficiëntere werking in echt zeewater, wat extra uitdagingen met zich meebrengt in vergelijking met de meer ideale waterige elektrolyten die in hun laboratoriumonderzoeken worden gebruikt. Ze zijn ook van plan om modulaire ontwerpen te ontwikkelen die ze kunnen gebruiken om grotere, opgeschaalde systemen.

Esposito voegt toe:"Er zijn veel mogelijke technologische oplossingen om een ​​duurzame energietoekomst te realiseren, maar niemand weet precies welke specifieke technologie of combinatie van technologieën het beste is om na te streven. We zijn vooral enthousiast over het potentieel van zonnebrandstoftechnologieën vanwege de enorme hoeveelheid zonne-energie die beschikbaar is. Onze uitdaging is om schaalbare en economische technologieën te vinden die zonlicht omzetten in een bruikbare vorm van energie die ook kan worden opgeslagen voor momenten dat de zon niet schijnt."

The study is titled "Floating Membraneless PV-Electrolyzer Based on Buoyancy-Driven Product Separation."