Grønt brint:Opdriftsdreven konvektion i elektrolytten

Brint, der produceres ved at bruge solenergi, kan bidrage til fremtidens klimaneutrale energisystem. Men der er forhindringer på vej fra laboratorieskala til storstilet implementering. Et team på HZB har nu præsenteret en metode til at visualisere konvektion i elektrolytten og pålideligt simulere den på forhånd med en multifysisk model. Resultaterne kan understøtte design og opskalering af denne teknologi og er blevet offentliggjort i det anerkendte tidsskrift Energi- og miljøvidenskab .

Brint kan produceres med vedvarende energi på en klimaneutral måde og kunne yde et stort bidrag til fremtidens energisystem. En af mulighederne er at bruge sollys til elektrolytisk vandopdeling, enten indirekte ved at koble en solcelle med en elektrolyser eller direkte i en fotoelektrokemisk (PEC) celle. Lysabsorberende halvledere fungerer som fotoelektroder. De nedsænkes i en elektrolytopløsning af vand blandet med stærke syrer eller baser, som indeholder høj koncentration af protoner eller hydroxidioner, der er nødvendige for effektiv elektrolyse.

Imidlertid, i et stort anlæg, af sikkerhedsmæssige årsager ville det være fornuftigt at anvende en elektrolytopløsning med en næsten neutral pH. En sådan opløsning har en lav koncentration af protoner og hydroxidioner, hvilket fører til massetransportbegrænsninger og dårlig ydeevne. At forstå disse begrænsninger er afgørende for at designe en sikker og skalerbar PEC -vandopdelingsenhed.

Et team ledet af Dr. Fatwa Abdi fra HZB Institute for Solar Fuels har nu for første gang undersøgt, hvordan den flydende elektrolyt i hele cellen opfører sig under elektrolyse:Ved hjælp af fluorescerende pH-sensorfolier, Dr. Keisuke Obata, en postdoc i Abdis team, bestemt den lokale pH -værdi i PEC -celler mellem anoden og katoden i løbet af elektrolysen. PEC-cellerne blev fyldt med næsten neutrale pH-elektrolytter.

Forskerne visualiserede eksperimentelt faldet i pH i områder tæt på anoden og stigningen i pH i regioner tæt på katoden. Interessant nok, de observerede urets bevægelse af elektrolytten, efterhånden som elektrolysen forløber. Observationen kan forklares ved opdrift på grund af ændringer i elektrolytdensitet under den elektrokemiske reaktion, hvilket fører til konvektion. "Det var overraskende at se, at små ændringer i elektrolytdensiteten (~ 0,1%) forårsager denne opdriftseffekt, «siger Abdi.

Parallelt, Abdi og hans team udviklede en flerfysisk model til beregning af konvektionen forårsaget af elektrokemiske reaktioner. "Vi har grundigt testet denne model og kan nu levere et kraftfuldt værktøj til at simulere naturlig konvektion i en elektrokemisk celle med forskellige elektrolytter på forhånd, «siger Abdi.

Til projektet har Abdi opbygget en "Solar Fuel Devices Facility" på HZB, som er en del af Helmholtz Energy Materials Foundry (HEMF), en stor infrastruktur, der også er åben for andre forskere. Denne undersøgelse blev også udført i samarbejde med TU Berlin, inden for rammerne af UniSysCat of excellence.

"Med dette arbejde udvider vi vores materialevidenskabelige ekspertise med bestræbelser på fotoelektrokemisk reaktorteknik, hvilket er et vigtigt næste skridt for opskalering af solbrændstofenheder "siger professor dr. Roel van de Krol, der leder HZB Institute for Solar Fuels.