Ingeniører udvikler flydende solbrændstofrigg til havvandselektrolyse

På en enkelt time, mere energi fra solen rammer Jorden end al den energi, der bruges af menneskeheden i et helt år. Tænk, hvis solens energi kunne udnyttes til energibehov på Jorden, og udført på en måde, der er økonomisk, skalerbar, og miljøansvarlig. Forskere har længe set dette som en af ​​de store udfordringer i det 21. århundrede.

Daniel Esposito, assisterende professor i kemiteknik ved Columbia Engineering, har undersøgt elektrolyse af vand - splittelsen af ​​vand i ilt (O2) og brint (H2) brændstof? som en måde at konvertere elektricitet fra solceller til solbrændsel. Hydrogen er et rent brændstof, der i øjeblikket bruges til at drive raketter i NASA's rumprogram og forventes bredt at spille en vigtig rolle i en bæredygtig energifremtid. Langt størstedelen af ​​nutidens brint produceres af naturgas gennem en proces kaldet dampmetanreformering, der samtidig frigiver CO2, men vandelektrolyse ved hjælp af elektricitet fra solceller tilbyder en lovende rute til at producere H2 uden nogen tilhørende CO2 -emissioner.

Espositos team har nu udviklet en ny fotovoltaisk drevet elektrolyseenhed, der kan fungere som en selvstændig platform, der flyder på åbent vand. Hans flydende PV-elektrolysator kan betragtes som en "solbrændstofrigg", der ligner en vis lighed med dybhavsrigg, bortset fra at det ville producere brintbrændstof fra sollys og vand i stedet for at udvinde olie fra havbunden. Studiet, "Flydende membranløs PV-elektrolysator baseret på opdriftsdrevet produktadskillelse, "blev udgivet i dag af International Journal of Hydrogen Energy .

Forskernes nøgleinnovation er metoden, hvorved de adskiller H2- og O2 -gasserne, der produceres ved vandelektrolyse. State-of-the-art elektrolysatorer bruger dyre membraner til at opretholde adskillelse af disse to gasser. Columbia Engineering -enheden bygger i stedet på en ny elektrodekonfiguration, der gør det muligt for gasser at blive adskilt og opsamlet ved hjælp af boblernes opdrift i vand. Designet muliggør effektiv drift med høj produktrenhed og uden aktiv pumpning af elektrolytten. Baseret på begrebet opdriftsinduceret adskillelse, den enkle elektrolysatorarkitektur producerer H2 med renhed så højt som 99 procent.

"Enkelheden i vores PV-elektrolysatorarkitektur? Uden en membran eller pumper? Gør vores design særligt attraktivt for dets anvendelse til havvandselektrolyse, takket være dets potentiale for lave omkostninger og højere holdbarhed i forhold til nuværende enheder, der indeholder membraner, "siger Esposito, hvis Solar Fuels Engineering Laboratory udvikler sol- og elektrokemiske teknologier, der konverterer vedvarende og rigelig solenergi til kemiske brændstoffer, der kan opbevares. "Vi mener, at vores prototype er den første demonstration af et praktisk membranløst flydende PV-elektrolysersystem, og kunne inspirere til store 'solbrændstofrigge', der kunne generere store mængder H2-brændstof fra rigeligt sollys og havvand uden at optage plads på land eller konkurrere med ferskvand til landbrugsbrug. "

Kommercielle elektrolyseapparater er afhængige af en membran, eller skillevæg, at adskille elektroderne i den enhed, hvorfra H2 og O2 gas fremstilles. Det meste af forskningen for elektrolyseenheder har været fokuseret på enheder, der indeholder en membran. Disse membraner og skillevægge er tilbøjelige til nedbrydning og svigt og kræver en vandkilde med høj renhed. Havvand indeholder urenheder og mikroorganismer, der let kan ødelægge disse membraner.

"At være i stand til sikkert at demonstrere en enhed, der kan udføre elektrolyse uden en membran, bringer os endnu et skridt tættere på at gøre havvandselektrolyse mulig, "siger Jack Davis, papirets første forfatter og en ph.d. -studerende, der arbejder med Esposito. "Disse generatorer til solbrændstoffer er i det væsentlige kunstige fotosyntesesystemer, gør det samme, som planter gør med fotosyntese, så vores enhed kan åbne alle mulige muligheder for at generere ren, vedvarende energi."

Afgørende for driften af ​​Espositos PV-elektrolysator er en ny elektrodekonfiguration, der omfatter gennemstrømningselektroder med net, der kun er belagt med en katalysator på den ene side. Disse asymmetriske elektroder fremmer udviklingen af ​​gasformige H2- og O2 -produkter på kun de ydre overflader af elektroderne, hvor katalysatorerne er aflejret. Når de voksende H2- og O2 -bobler bliver store nok, deres opdrift får dem til at løsne sig fra elektrodeoverfladerne og flyde opad i separate overliggende opsamlingskamre.

Teamet brugte Columbia Clean Room til at deponere platinelektrokatalysator på netelektroderne og 3D-printerne i Columbia Makerspace til at lave mange af reaktorkomponenterne. De brugte også et højhastighedsvideokamera til at overvåge transport af H2- og O2-bobler mellem elektroder, en proces kendt som "crossover". Crossover mellem elektroder er uønsket, fordi det reducerer produktets renhed, hvilket fører til sikkerhedsproblemer og behovet for adskillelsesenheder, der gør processen dyrere.

For at overvåge H2 og O2 crossover -hændelser, forskerne indarbejdede vinduer i alle deres elektrolyseenheder, så de kunne tage højhastighedsvideoer af gasbobleudvikling fra elektroderne, mens enheden kørte. Disse videoer blev typisk taget med en hastighed på 500 billeder i sekundet (en typisk iPhone optager video med en hastighed på 30 billeder i sekundet).

Teamet forfiner deres design til mere effektiv drift i ægte havvand, hvilket udgør yderligere udfordringer i forhold til de mere ideelle vandige elektrolytter, der blev brugt i deres laboratorieundersøgelser. De planlægger også at udvikle modulære designs, som de kan bruge til at bygge større, opskalerede systemer.

Esposito tilføjer:"Der er mange mulige teknologiske løsninger for at opnå en bæredygtig energifremtid, men ingen ved præcis, hvilken specifik teknologi eller kombination af teknologier, der vil være den bedste at forfølge. Vi er især begejstrede for potentialet ved solbrændstofteknologier på grund af den enorme mængde solenergi, der er tilgængelig. Vores udfordring er at finde skalerbare og økonomiske teknologier, der konverterer sollys til en nyttig form for energi, der også kan lagres i perioder, hvor solen ikke skinner. "

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