Stanford-forskare har utarbetat ett sätt att generera vätebränsle med hjälp av solenergi, elektroder och saltvatten från San Francisco Bay.

Resultaten, publicerad 18 mars in Proceedings of the National Academy of Sciences , demonstrera ett nytt sätt att separera väte och syrgas från havsvatten via el. Befintliga vattenuppdelningsmetoder är beroende av högrenat vatten, som är en värdefull resurs och kostsam att producera.

Teoretiskt sett, att driva städer och bilar, "du behöver så mycket väte att det inte är tänkbart att använda renat vatten, sa Hongjie Dai, J.G. Jackson och C.J. Wood professor i kemi vid Stanford och co-senior författare på tidningen. "Vi har knappt tillräckligt med vatten för våra nuvarande behov i Kalifornien."

Väte är ett tilltalande alternativ för bränsle eftersom det inte släpper ut koldioxid, sa Dai. Förbränning av väte producerar bara vatten och bör underlätta förvärrade klimatförändringsproblem.

Dai sa att hans labb visade proof-of-concept med en demo, men forskarna kommer att lämna upp till tillverkarna att skala och massproducera designen.

Motverkar korrosion

Som koncept, att dela vatten till väte och syre med elektricitet – kallad elektrolys – är en enkel och gammal idé:en strömkälla ansluter till två elektroder placerade i vatten. När strömmen slås på, vätgas bubblar ut ur den negativa änden - kallad katoden - och andningsbart syre kommer ut i den positiva änden - anoden.

Men negativt laddad klorid i havsvattensalt kan korrodera den positiva änden, begränsar systemets livslängd. Dai och hans team ville hitta ett sätt att stoppa dessa havsvattenkomponenter från att bryta ner de nedsänkta anoderna.

Forskarna upptäckte att om de belade anoden med lager som var rika på negativa laddningar, skikten stötte bort klorid och bromsade sönderfallet av den underliggande metallen.

De skiktade nickel-järnhydroxid ovanpå nickelsulfid, som täcker en kärna av nickelskum. Nickelskummet fungerar som en ledare - transporterar elektricitet från strömkällan - och nickel-järnhydroxiden utlöser elektrolysen, separera vatten till syre och väte. Under elektrolys, nickelsulfiden utvecklas till ett negativt laddat skikt som skyddar anoden. Precis som de negativa ändarna av två magneter trycker mot varandra, det negativt laddade lagret stöter bort klorid och hindrar den från att nå kärnmetallen.

Utan den negativt laddade beläggningen, anoden fungerar bara i cirka 12 timmar i havsvatten, enligt Michael Kenney, en doktorand i Dai-labbet och medförfattare på tidningen. "Hela elektroden faller isär till en smula, " sa Kenney. "Men med det här lagret, det kan gå mer än tusen timmar."

Tidigare studier som försökte dela havsvatten för vätebränsle hade kört låga mängder elektrisk ström, eftersom korrosion uppstår vid högre strömmar. Men Dai, Kenney och deras kollegor kunde leda upp till 10 gånger mer elektricitet genom sin flerskiktsenhet, vilket hjälper det att generera väte från havsvatten i en snabbare takt.

"Jag tror att vi satt rekord på strömmen för att dela havsvatten, " sa Dai.

Teammedlemmarna genomförde de flesta av sina tester under kontrollerade laboratorieförhållanden, där de kunde reglera mängden el som kommer in i systemet. Men de designade också en soldriven demonstrationsmaskin som producerade väte och syrgas från havsvatten som samlats in från San Francisco Bay.

Och utan risk för korrosion från salter, enheten matchade nuvarande teknologier som använder renat vatten. "Det imponerande med den här studien var att vi kunde arbeta med elektriska strömmar som är samma som vad som används i industrin idag, " sa Kenney.

Förvånansvärt enkelt

Kollar tillbaka, Dai och Kenney kan se enkelheten i deras design. "Om vi ​​hade en kristallkula för tre år sedan, det skulle ha gjorts på en månad, " Sa Dai. Men nu när grundreceptet är utarbetat för elektrolys med havsvatten, den nya metoden kommer att öppna dörrar för att öka tillgången på vätgas som drivs av sol- eller vindenergi.

I framtiden, Tekniken skulle kunna användas för andra syften än att generera energi. Eftersom processen också producerar syre som andas, dykare eller ubåtar kan föra in enheter i havet och generera syre nere utan att behöva ytan för luft.

När det gäller överföring av teknik, "man kan bara använda dessa element i befintliga elektrolyssystem och det kan vara ganska snabbt, " Sa Dai. "Det är inte som att börja från noll - det är mer som att börja från 80 eller 90 procent."