Ett exempel på det lilla, genomströmningselektrod som Duke-forskare använde för att producera mer väte från elektrolys med ett öre för skala. Upphovsman:Wiley Lab, Duke University
Elektrolys, passerar en ström genom vatten för att bryta den till gasformigt väte och syre, kan vara ett praktiskt sätt att lagra överskottsenergi från vind- eller solenergi. Vätet kan lagras och användas som bränsle senare, när solen är nere eller vindarna är stilla.
Tyvärr, utan någon form av överkomlig energilagring som denna, miljarder watt förnybar energi slösas bort varje år.
För att väte ska vara lösningen på lagringsproblemet, vattensplittande elektrolys måste vara mycket billigare och effektivare, sa Ben Wiley, professor i kemi vid Duke University. Och han och hans team har några idéer om hur man uppnår det.
Wiley och hans labb testade nyligen tre nya material som kan användas som en porös, genomströmningselektrod för att förbättra elektrolysens effektivitet. Deras mål var att öka elektrodens ytarea för reaktioner, samtidigt som man undviker att fånga de gasbubblor som produceras.
"Den maximala hastighet vid vilken väte produceras begränsas av att bubblorna blockerar elektroden - bokstavligen blockerar vattnet från att komma upp till ytan och splittras, "Sa Wiley.
I ett papper som visas 25 maj i Avancerade energimaterial , de jämförde tre olika konfigurationer av en porös elektrod genom vilken det alkaliska vattnet kan strömma när reaktionen sker.
En mikroskopisk vy av nickelfiltmaterialet som optimerade ytan och bubbla släpps när det producerade väte från elektrolys. Upphovsman:Wiley Lab, Duke University
De tillverkade tre typer av genomströmningselektroder, var och en 4 millimeter kvadrat av svampliknande material, bara en millimeter tjock. En var gjord av nickelskum, den ena var en "filt" gjord av nickelmikrofibrer, och den tredje var en filt gjord av nickel-koppar nanotrådar.
Pulserande ström genom elektroderna i fem minuter, fem minuter ledigt, de fann att filten av nickel-koppar nanotrådar ursprungligen producerade väte mer effektivt eftersom den hade en större ytarea än de andra två materialen. Men inom 30 sekunder, dess effektivitet störtade eftersom materialet blev igensatt av bubblor.
Nickelskumselektroden var bäst på att låta bubblorna fly, men den hade en betydligt lägre ytarea än de andra två elektroderna, gör det mindre produktivt.
Den söta fläcken visade sig vara en filt av nickelmikrofiber som producerade mer väte än nanotrådsfilt, trots att den har 25 procent mindre ytarea för reaktionen.
Under ett 100-timmars test, mikrofiberfilt producerade väte vid en strömtäthet av 25, 000 milliampar per kvadratcentimeter. I den takten, det skulle vara 50 gånger mer produktivt än de konventionella alkaliska elektrolysatorer som för närvarande används för vattenelektrolys, forskarna beräknade.
En elektronmikroskopvy av nickelfiltmaterialet som optimerade ytarea och bubbla släpps när det producerade väte från elektrolys. Upphovsman:Wiley Lab, Duke University
Det billigaste sättet att göra industriella mängder väte just nu är inte genom att klyva vatten, men genom att bryta isär naturgas (metan) med mycket het ånga-ett energikrävande tillvägagångssätt som skapar 9 till 12 ton C02 för varje ton väte det ger, Inklusive den energi som behövs för att skapa ånga på 1000 grader Celsius.
Wiley sa att kommersiella tillverkare av vattenelektrolysatorer kan göra förbättringar i strukturen på sina elektroder baserat på vad hans team har lärt sig. Om de kunde öka väteproduktionshastigheten kraftigt, kostnaden för väte som produceras från klyvvatten kan sjunka, kanske till och med tillräckligt för att göra det till en prisvärd lagringslösning för förnybar energi.
Han arbetar också med en grupp studenter i Duke's Bass Connections-programmet som undersöker om genomströmningselektrolys kan skalas upp för att göra väte från Indiens rikliga solenergi.
