På en enda timme, mer energi från solen träffar jorden än all energi som används av mänskligheten under ett helt år. Föreställ dig om solens energi kunde utnyttjas för att driva energibehov på jorden, och gjort på ett sätt som är ekonomiskt, skalbar, och miljöansvar. Forskare har länge sett detta som en av 2000-talets stora utmaningar.

Daniel Esposito, biträdande professor i kemiteknik vid Columbia Engineering, har studerat vattenelektrolys? uppdelningen av vatten till syre (O2) och väte (H2) bränsle? som ett sätt att omvandla el från solceller (PV) till lagringsbart vätebränsle. Väte är ett rent bränsle som för närvarande används för att driva raketer i NASA:s rymdprogram och som allmänt förväntas spela en viktig roll i en hållbar energiframtid. Den stora majoriteten av dagens väte produceras av naturgas genom en process som kallas ångmetanreformering som samtidigt frigör CO2, men vattenelektrolys med el från solceller erbjuder en lovande väg att producera H2 utan några tillhörande CO2-utsläpp.

Espositos team har nu utvecklat en ny solcellsdriven elektrolysenhet som kan fungera som en fristående plattform som flyter på öppet vatten. Hans flytande PV-elektrolysator kan ses som en "solbränslerigg" som har en viss likhet med oljeriggar för djuphavsvatten, förutom att det skulle producera vätebränsle från solljus och vatten istället för att utvinna petroleum från under havsbotten. Studien, "Flytande membranlös PV-elektrolysator baserad på flytkraftsdriven produktseparation, " publicerades idag av International Journal of Hydrogen Energy .

Forskarnas viktigaste innovation är metoden med vilken de separerar H2- och O2-gaserna som produceras genom vattenelektrolys. Toppmoderna elektrolysörer använder dyra membran för att upprätthålla separationen av dessa två gaser. Columbia Engineering-enheten förlitar sig istället på en ny elektrodkonfiguration som gör att gaserna kan separeras och samlas upp med hjälp av bubblornas flytkraft i vatten. Designen möjliggör effektiv drift med hög produktrenhet och utan att aktivt pumpa elektrolyten. Baserat på konceptet flytkraftsinducerad separation, den enkla elektrolysörarkitekturen producerar H2 med en renhet på så hög som 99 procent.

"Enkelheten i vår PV-elektrolysatorarkitektur? utan ett membran eller pumpar? gör vår design särskilt attraktiv för dess tillämpning på havsvattenelektrolys, tack vare dess potential för låg kostnad och högre hållbarhet jämfört med nuvarande enheter som innehåller membran, säger Esposito, vars Solar Fuels Engineering Laboratory utvecklar solenergi och elektrokemisk teknik som omvandlar förnybar och riklig solenergi till lagringsbara kemiska bränslen. "Vi tror att vår prototyp är den första demonstrationen av ett praktiskt membranlöst flytande PV-elektrolysatorsystem, och skulle kunna inspirera storskaliga "solbränsleriggar" som skulle kunna generera stora mängder H2-bränsle från rikligt solljus och havsvatten utan att ta upp någon plats på land eller konkurrera med sötvatten för jordbruksändamål."

Kommersiella elektrolysanordningar är beroende av ett membran, eller avdelare, för att separera elektroderna i enheten från vilken H2- och O2-gas produceras. Det mesta av forskningen för elektrolysanordningar har fokuserats på anordningar som innehåller ett membran. Dessa membran och avdelare är benägna att degraderas och misslyckas och kräver en vattenkälla med hög renhet. Havsvatten innehåller föroreningar och mikroorganismer som lätt kan förstöra dessa membran.

"Att säkert kunna demonstrera en enhet som kan utföra elektrolys utan membran för oss ytterligare ett steg närmare att göra havsvattenelektrolys möjlig, säger Jack Davis, tidningens första författare och en doktorand som arbetar med Esposito. "Dessa solbränslegeneratorer är i huvudsak artificiella fotosyntessystem, gör samma sak som växter gör med fotosyntes, så vår enhet kan öppna upp alla typer av möjligheter att skapa ren, förnybar energi."

Avgörande för driften av Espositos PV-elektrolysator är en ny elektrodkonfiguration som består av mesh-genomströmningselektroder som är belagda med en katalysator endast på ena sidan. Dessa asymmetriska elektroder främjar utvecklingen av gasformiga H2- och O2-produkter på endast de yttre ytorna av elektroderna där katalysatorerna har avsatts. När de växande H2- och O2-bubblorna blir tillräckligt stora, deras flytförmåga gör att de lossnar från elektrodytorna och flyter uppåt i separata uppsamlingskammare.

Teamet använde Columbia Clean Room för att deponera platinaelektrokatalysator på nätelektroderna och 3D-skrivarna i Columbia Makerspace för att tillverka många av reaktorkomponenterna. De använde också en höghastighetsvideokamera för att övervaka transporten av H2- och O2-bubblor mellan elektroderna, en process som kallas "crossover". Korsning mellan elektroder är oönskad eftersom det minskar produktens renhet, leder till säkerhetsproblem och behovet av nedströms separationsenheter som gör processen dyrare.

För att övervaka H2 och O2 crossover-händelser, forskarna inkorporerade fönster i alla sina elektrolysenheter så att de kunde ta höghastighetsvideor av gasbubblors utveckling från elektroderna medan enheten var i drift. Dessa videor togs vanligtvis med en hastighet av 500 bilder per sekund (en typisk iPhone spelar in video med en hastighet av 30 bilder per sekund).

Teamet förfinar sin design för effektivare drift i riktigt havsvatten, vilket innebär ytterligare utmaningar jämfört med de mer idealiska vattenhaltiga elektrolyterna som används i deras laboratoriestudier. De planerar också att utveckla modulära konstruktioner som de kan använda för att bygga större, uppskalade system.

Esposito tillägger:"Det finns många möjliga tekniska lösningar för att uppnå en hållbar energiframtid, men ingen vet exakt vilken specifik teknik eller kombination av teknologier som är bäst att utöva. Vi är särskilt glada över potentialen för solbränsleteknik på grund av den enorma mängd solenergi som finns tillgänglig. Vår utmaning är att hitta skalbara och ekonomiska teknologier som omvandlar solljus till en användbar form av energi som också kan lagras för tillfällen då solen inte skiner."

Studien har titeln "Flytande membranlös PV-elektrolysör baserad på flytkraftsdriven produktseparation."