De kracht van de zon, wind en zee kunnen binnenkort samengaan om schoon brandende waterstofbrandstof te produceren, volgens een team van onderzoekers van Penn State. Het team integreerde waterzuiveringstechnologie in een nieuw proof-of-concept-ontwerp voor een zeewaterelektrolyser, die een elektrische stroom gebruikt om de waterstof en zuurstof in watermoleculen te splitsen.

Deze nieuwe methode voor "zeewatersplitsing" zou het gemakkelijker kunnen maken om wind- en zonne-energie om te zetten in een opslagbare en draagbare brandstof, volgens Bruce Logan, Kappe hoogleraar milieutechniek en Evan Pugh universiteitshoogleraar.

"Waterstof is een geweldige brandstof, maar je moet het doen, Logan zei. "De enige duurzame manier om dat te doen, is door hernieuwbare energie te gebruiken en uit water te produceren. Je moet ook water gebruiken dat mensen niet voor andere dingen willen gebruiken, en dat zou zeewater zijn. Dus, de heilige graal van het produceren van waterstof zou zijn om het zeewater te combineren met de wind- en zonne-energie die in kust- en offshore-omgevingen wordt aangetroffen."

Ondanks de overvloed aan zeewater, het wordt niet vaak gebruikt voor het splitsen van water. Tenzij het water wordt ontzout voordat het de elektrolyseur binnengaat - een dure extra stap - veranderen de chloride-ionen in zeewater in giftig chloorgas, die de apparatuur degradeert en in het milieu sijpelt.

Om dit te voorkomen, de onderzoekers plaatsten een dunne, semipermeabel membraan, oorspronkelijk ontwikkeld voor het zuiveren van water in het behandelingsproces van omgekeerde osmose (RO). Het RO-membraan verving het ionenuitwisselingsmembraan dat gewoonlijk wordt gebruikt in elektrolyzers.

"Het idee achter RO is dat je een heel hoge druk op het water uitoefent en het door het membraan duwt en de chloride-ionen achterhoudt, ' zei Logan.

In een elektrolyse, zeewater zou niet langer door het RO-membraan worden geduwd, maar erdoor ingesloten. Een membraan wordt gebruikt om de reacties te scheiden die plaatsvinden in de buurt van twee ondergedompelde elektroden - een positief geladen anode en een negatief geladen kathode - verbonden door een externe stroombron. Wanneer de stroom is ingeschakeld, watermoleculen beginnen te splitsen aan de anode, het vrijgeven van kleine waterstofionen, protonen genaamd, en het creëren van zuurstofgas. De protonen gaan dan door het membraan en combineren met elektronen aan de kathode om waterstofgas te vormen.

Met het RO-membraan ingebracht, zeewater wordt aan de kathodezijde gehouden, en de chloride-ionen zijn te groot om door het membraan te gaan en de anode te bereiken, voorkomen van de productie van chloorgas.

Maar bij het splitsen van water, Logan merkte op, andere zouten worden opzettelijk in het water opgelost om het geleidend te maken. Het ionenuitwisselingsmembraan, die ionen filtert door elektrische lading, laat zoutionen door. Het RO-membraan niet.

"RO-membranen remmen de zoutbeweging, maar de enige manier om stroom op te wekken in een circuit is omdat geladen ionen in het water tussen twee elektroden bewegen, ' zei Logan.

Met de beweging van de grotere ionen beperkt door het RO-membraan, de onderzoekers moesten zien of er genoeg kleine protonen door de poriën bewegen om een ​​hoge elektrische stroom te behouden.

"In principe, we moesten laten zien dat wat eruitzag als een onverharde weg een snelweg kon zijn, "Zei Logan. "We moesten bewijzen dat we een grote hoeveelheid stroom door twee elektroden konden krijgen als er een membraan tussen zat waardoor zoutionen niet heen en weer konden bewegen."

Door een reeks experimenten die onlangs zijn gepubliceerd in Energie en milieuwetenschappen , de onderzoekers testten twee commercieel verkrijgbare RO-membranen en twee kationenuitwisselingsmembranen, een type ionenuitwisselingsmembraan dat de beweging van alle positief geladen ionen in het systeem mogelijk maakt.

Elk werd getest op membraanweerstand tegen ionenbeweging, de hoeveelheid energie die nodig is om reacties te voltooien, waterstof- en zuurstofgasproductie, interactie met chloride-ionen en membraanverslechtering.

Logan legde uit dat terwijl een RO-membraan een "onverharde weg bleek te zijn, De andere presteerde goed in vergelijking met de kationenuitwisselingsmembranen. De onderzoekers onderzoeken nog waarom er zo'n verschil was tussen de twee RO-membranen.

"Het idee kan werken, " zei hij. "We weten niet precies waarom deze twee membranen zo verschillend hebben gefunctioneerd, maar dat is iets wat we gaan uitzoeken."

Onlangs, de onderzoekers ontvingen $ 300, 000 subsidie ​​van de National Science Foundation (NSF) om verder te gaan met het onderzoek naar elektrolyse van zeewater. Logan hoopt dat hun onderzoek een cruciale rol zal spelen bij het verminderen van de uitstoot van kooldioxide over de hele wereld.

"De wereld is op zoek naar hernieuwbare waterstof, "zei hij. "Bijvoorbeeld, Saoedi-Arabië is van plan een waterstoffaciliteit van $ 5 miljard te bouwen die zeewater gaat gebruiken. Direct, ze moeten het water ontzilten. Misschien kunnen ze in plaats daarvan deze methode gebruiken."