Stanford-onderzoekers hebben een manier bedacht om waterstofbrandstof te genereren met behulp van zonne-energie, elektroden en zout water uit de Baai van San Francisco.

De bevindingen, gepubliceerd op 18 maart in Proceedings van de National Academy of Sciences , demonstreren een nieuwe manier om waterstof en zuurstofgas via elektriciteit uit zeewater te scheiden. Bestaande watersplitsingsmethoden zijn afhankelijk van sterk gezuiverd water, wat een kostbare hulpbron is en kostbaar om te produceren.

theoretisch, om steden en auto's van stroom te voorzien, "je hebt zoveel waterstof nodig dat het niet denkbaar is om gezuiverd water te gebruiken, " zei Hongjie Dai, JG Jackson en C.J. Wood professor in de chemie aan Stanford en co-senior auteur op het papier. "We hebben nauwelijks genoeg water voor onze huidige behoeften in Californië."

Waterstof is een aantrekkelijke optie voor brandstof omdat het geen koolstofdioxide uitstoot, zei Dai. Het verbranden van waterstof levert alleen water op en zou de verergering van de klimaatveranderingsproblemen moeten verminderen.

Dai zei dat zijn lab proof-of-concept toonde met een demo, maar de onderzoekers laten het aan fabrikanten over om het ontwerp te schalen en massaal te produceren.

Corrosie aanpakken

Als begrip, het splitsen van water in waterstof en zuurstof met elektriciteit - elektrolyse genaamd - is een eenvoudig en oud idee:een stroombron wordt aangesloten op twee elektroden die in water zijn geplaatst. Wanneer de stroom wordt ingeschakeld, waterstofgas borrelt uit het negatieve uiteinde - de kathode genoemd - en ademende zuurstof komt tevoorschijn aan het positieve uiteinde - de anode.

Maar negatief geladen chloride in zeewaterzout kan het positieve uiteinde aantasten, levensduur van het systeem beperken. Dai en zijn team wilden een manier vinden om te voorkomen dat die zeewatercomponenten de ondergedompelde anodes afbreken.

De onderzoekers ontdekten dat als ze de anode bedekten met lagen die rijk waren aan negatieve ladingen, de lagen stoten chloride af en vertraagden het verval van het onderliggende metaal.

Ze lagen nikkel-ijzerhydroxide bovenop nikkelsulfide, die een kern van nikkelschuim bedekt. Het nikkelschuim fungeert als een geleider - transporteert elektriciteit van de stroombron - en het nikkel-ijzerhydroxide veroorzaakt de elektrolyse, water scheiden in zuurstof en waterstof. Tijdens elektrolyse, het nikkelsulfide evolueert naar een negatief geladen laag die de anode beschermt. Net zoals de negatieve uiteinden van twee magneten tegen elkaar duwen, de negatief geladen laag stoot chloride af en voorkomt dat het het kernmetaal bereikt.

Zonder de negatief geladen coating, de anode werkt slechts ongeveer 12 uur in zeewater, volgens Michael Kenney, een afgestudeerde student in het Dai-lab en co-hoofdauteur van het papier. "De hele elektrode valt uiteen in een kruimel, "Zei Kenney. "Maar met deze laag, het is in staat om meer dan duizend uur te gaan."

Eerdere studies die probeerden zeewater te splitsen voor waterstofbrandstof hadden lage hoeveelheden elektrische stroom, omdat corrosie optreedt bij hogere stromen. Maar Dai, Kenney en hun collega's waren in staat om tot 10 keer meer elektriciteit te geleiden via hun meerlaagse apparaat, waardoor het sneller waterstof uit zeewater kan genereren.

"Ik denk dat we een record hebben gevestigd op de stroming om zeewater te splitsen, ' zei Dai.

De teamleden voerden de meeste van hun tests uit in gecontroleerde laboratoriumomstandigheden, waar ze de hoeveelheid elektriciteit die het systeem binnenkomt kunnen regelen. Maar ze ontwierpen ook een demonstratiemachine op zonne-energie die waterstof en zuurstofgas produceerde uit zeewater dat werd verzameld uit de baai van San Francisco.

En zonder het risico van corrosie door zouten, het apparaat paste bij de huidige technologieën die gezuiverd water gebruiken. "Het indrukwekkende aan deze studie was dat we konden werken met elektrische stromen die hetzelfde zijn als wat tegenwoordig in de industrie wordt gebruikt, ' zei Kenney.

Verrassend eenvoudig

Terugkijken, Dai en Kenney zien de eenvoud van hun ontwerp. "Als we drie jaar geleden een glazen bol hadden, het zou binnen een maand gedaan zijn, " zei Dai. Maar nu het basisrecept voor elektrolyse met zeewater is bedacht, de nieuwe methode opent deuren om de beschikbaarheid van waterstof op zonne- of windenergie te vergroten.

In de toekomst, de technologie kan worden gebruikt voor andere doeleinden dan het opwekken van energie. Omdat het proces ook ademende zuurstof produceert, duikers of onderzeeërs zouden apparaten in de oceaan kunnen brengen en zuurstof naar beneden kunnen genereren zonder dat ze naar de oppervlakte hoeven te komen voor lucht.

Wat betreft het overdragen van de technologie, "je zou deze elementen gewoon in bestaande elektrolysesystemen kunnen gebruiken en dat zou best snel kunnen gaan, " zei Dai. "Het is niet alsof je bij nul begint - het is meer alsof je begint bij 80 of 90 procent."