Waterstof geproduceerd met behulp van zonne-energie kan bijdragen aan een klimaatneutraal energiesysteem van de toekomst. Maar er zijn obstakels op de weg van laboratoriumschaal naar grootschalige implementatie. Een team van de HZB heeft nu een methode gepresenteerd om convectie in het elektrolyt zichtbaar te maken en vooraf betrouwbaar te simuleren met een multifysisch model. De resultaten kunnen het ontwerp en de opschaling van deze technologie ondersteunen en zijn gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Energie- en milieuwetenschappen .

Waterstof kan klimaatneutraal worden geproduceerd met hernieuwbare energiebronnen en kan een grote bijdrage leveren aan het energiesysteem van de toekomst. Een van de opties is het gebruik van zonlicht voor elektrolytische watersplitsing, hetzij indirect door een zonnecel te koppelen aan een elektrolyser, hetzij rechtstreeks in een foto-elektrochemische (PEC) cel. Lichtabsorberende halfgeleiders dienen als foto-elektroden. Ze worden ondergedompeld in een elektrolytoplossing van water gemengd met sterke zuren of basen, die een hoge concentratie protonen of hydroxide-ionen bevat die nodig zijn voor efficiënte elektrolyse.

Echter, in een grootschalige fabriek, het zou om veiligheidsredenen zinvol zijn om een ​​elektrolytoplossing met een bijna neutrale pH te gebruiken. Een dergelijke oplossing heeft een lage concentratie aan protonen en hydroxide-ionen, wat leidt tot beperkingen in het massatransport en slechte prestaties. Het begrijpen van deze beperkingen is essentieel om een ​​veilig en schaalbaar PEC-watersplitsingsapparaat te ontwerpen.

Een team onder leiding van Dr. Fatwa Abdi van het HZB Instituut voor Zonnebrandstoffen heeft nu voor het eerst onderzocht hoe de vloeibare elektrolyt door de cel zich gedraagt ​​tijdens elektrolyse:Met behulp van fluorescerende pH-sensorfolies, Dr. Keisuke Obata, een postdoc in het team van Abdi, bepaalde de lokale pH-waarde in PEC-cellen tussen de anode en de kathode tijdens de elektrolyse. De PEC-cellen waren gevuld met bijna neutrale pH-elektrolyten.

De wetenschappers visualiseerden experimenteel de afname van pH in gebieden dicht bij de anode en de toename van pH in gebieden dicht bij de kathode. interessant, ze observeerden een beweging met de klok mee van de elektrolyt terwijl de elektrolyse vordert. De waarneming kan worden verklaard door het drijfvermogen als gevolg van veranderingen in de elektrolytdichtheid tijdens de elektrochemische reactie die tot convectie leidt. "Het was verrassend om te zien dat kleine veranderingen in de elektrolytdichtheid (~ 0,1%) dit drijfeffect veroorzaken, ' zegt Abdi.

parallel, Abdi en zijn team ontwikkelden een multifysisch model om de convectie te berekenen die wordt veroorzaakt door elektrochemische reacties. "We hebben dit model grondig getest en kunnen nu een krachtig hulpmiddel bieden om vooraf natuurlijke convectie in een elektrochemische cel met verschillende elektrolyten te simuleren, ' zegt Abdi.

Voor het project heeft Abdi bij HZB een "Solar Fuel Devices Facility" opgebouwd, dat deel uitmaakt van de Helmholtz Energy Materials Foundry (HEMF), een grote infrastructuur die ook openstaat voor andere wetenschappers. Ook dit onderzoek is uitgevoerd in samenwerking met TU Berlijn, in het kader van UniSysCat cluster of excellence.

"Met dit werk breiden we onze materiaalwetenschappelijke expertise uit met inspanningen op het gebied van foto-elektrochemische reactortechniek, wat een essentiële volgende stap is voor de opschaling van apparaten op zonne-energie", zegt prof.dr. Roel van de Krol, hoofd van het HZB Instituut voor Zonnebrandstoffen.