Solens kraft, vind och hav kan snart kombineras för att producera rent vätebränsle, enligt ett team av Penn State-forskare. Teamet integrerade vattenreningsteknik i en ny proof-of-concept-design för en havsvattenelektrolysator, som använder en elektrisk ström för att dela isär väte och syre i vattenmolekyler.

Denna nya metod för "sönderdelning av havsvatten" kan göra det lättare att förvandla vind- och solenergi till ett lagringsbart och bärbart bränsle, enligt Bruce Logan, Kappe professor i miljöteknik och professor vid Evan Pugh University.

"Väte är ett bra bränsle, men du måste klara det, ", sade Logan. "Det enda hållbara sättet att göra det är att använda förnybar energi och producera den från vatten. Du måste också använda vatten som folk inte vill använda till andra saker, och det skulle vara havsvatten. Så, den heliga gralen för att producera väte skulle vara att kombinera havsvattnet och vind- och solenergin som finns i kust- och havsmiljöer."

Trots överflöd av havsvatten, det används inte ofta för vattenklyvning. Om inte vattnet avsaltas innan det kommer in i elektrolysatorn – ett dyrt extra steg – blir kloridjonerna i havsvatten till giftig klorgas, som försämrar utrustningen och sipprar ut i miljön.

För att förhindra detta, forskarna satte in en tunn, semipermeabelt membran, ursprungligen utvecklad för att rena vatten i behandlingsprocessen för omvänd osmos (RO). RO-membranet ersatte jonbytarmembranet som vanligtvis används i elektrolysatorer.

"Tanken bakom RO är att man sätter ett riktigt högt tryck på vattnet och trycker det genom membranet och håller kvar kloridjonerna, sa Logan.

I en elektrolysator, havsvatten skulle inte längre tryckas genom RO-membranet, men innesluten av den. Ett membran används för att hjälpa till att separera reaktionerna som inträffar nära två nedsänkta elektroder - en positivt laddad anod och en negativt laddad katod - anslutna av en extern strömkälla. När strömmen slås på, vattenmolekyler börjar dela vid anoden, frigör små vätejoner som kallas protoner och skapar syrgas. Protonerna passerar sedan genom membranet och kombineras med elektroner vid katoden för att bilda vätgas.

Med RO-membranet insatt, havsvatten hålls på katodsidan, och kloridjonerna är för stora för att passera genom membranet och nå anoden, förhindra produktionen av klorgas.

Men i vattenklyvning, Logan noterade, andra salter löses avsiktligt i vattnet för att göra det ledande. Jonbytarmembranet, som filtrerar joner genom elektrisk laddning, låter saltjoner passera igenom. RO-membranet gör det inte.

"RO-membran hämmar saltrörelse, men det enda sättet du genererar ström i en krets är för att laddade joner i vattnet rör sig mellan två elektroder, sa Logan.

Med rörelsen från de större jonerna begränsad av RO-membranet, forskarna behövde se om det fanns tillräckligt med små protoner som rörde sig genom porerna för att hålla en hög elektrisk ström.

"I grund och botten, vi var tvungna att visa att det som såg ut som en grusväg kunde vara en motorväg, " sa Logan. "Vi var tvungna att bevisa att vi kunde få en hög mängd ström genom två elektroder när det fanns ett membran mellan dem som inte skulle tillåta saltjoner att röra sig fram och tillbaka."

Genom en serie experiment som nyligen publicerats i Energi- och miljövetenskap , forskarna testade två kommersiellt tillgängliga RO-membran och två katjonbytesmembran, en typ av jonbytarmembran som tillåter förflyttning av alla positivt laddade joner i systemet.

Var och en testades för membranmotstånd mot jonrörelse, mängden energi som behövs för att slutföra reaktioner, väte- och syrgasproduktion, interaktion med kloridjoner och membranförsämring.

Logan förklarade att medan ett RO-membran visade sig vara en "grusväg, " den andra presterade bra i jämförelse med katjonbytesmembranen. Forskarna undersöker fortfarande varför det var sådan skillnad mellan de två RO-membranen.

"Idén kan fungera, " sa han. "Vi vet inte exakt varför dessa två membran har fungerat så olika, men det är något vi kommer att ta reda på."

Nyligen, forskarna fick 300 dollar, anslag 000 alltifrån den nationella vetenskapsgrunden (NSF) till fortgår att undersöka havsvattenelektrolys. Logan hoppas att deras forskning kommer att spela en avgörande roll för att minska koldioxidutsläppen runt om i världen.

"Världen letar efter förnybart väte, " sa han. "T.ex. Saudiarabien har planerat att bygga en vätgasanläggning för 5 miljarder dollar som kommer att använda havsvatten. Just nu, de måste avsalta vattnet. Kanske kan de använda den här metoden istället."