Vätgas som produceras genom att använda solenergi kan bidra till ett klimatneutralt energisystem i framtiden. Men det finns hinder på vägen från laboratorieskala till storskalig implementering. Ett team på HZB har nu presenterat en metod för att visualisera konvektion i elektrolyten och på ett tillförlitligt sätt simulera den i förväg med en multifysisk modell. Resultaten kan stödja utformningen och skalningen av denna teknik och har publicerats i den kända tidskriften Energi- och miljövetenskap .

Vätgas kan produceras med förnybar energi på ett klimatneutralt sätt och kan göra ett stort bidrag till framtidens energisystem. Ett av alternativen är att använda solljus för elektrolytisk vattensplittring, antingen indirekt genom att koppla en solcell med en elektrolysator eller direkt i en fotoelektrokemisk (PEC) cell. Ljusabsorberande halvledare fungerar som fotoelektroder. De är nedsänkta i en elektrolytlösning av vatten blandat med starka syror eller baser, som innehåller hög koncentration av protoner eller hydroxidjoner som är nödvändiga för effektiv elektrolys.

Dock, i en storskalig anläggning, av säkerhetsskäl skulle det vara meningsfullt att använda en elektrolytlösning med ett nästan neutralt pH. En sådan lösning har en låg koncentration av protoner och hydroxidjoner, vilket leder till masstransportbegränsningar och dålig prestanda. Att förstå dessa begränsningar är avgörande för att utforma en säker och skalbar PEC -vattenspridningsanordning.

Ett team under ledning av Dr Fatwa Abdi från HZB Institute for Solar Fuels har nu för första gången undersökt hur vätskelektrolyten i cellen beter sig under elektrolys:Med hjälp av fluorescerande pH-sensorfolier, Dr Keisuke Obata, en postdoc i Abdis team, bestämde det lokala pH -värdet i PEC -celler mellan anoden och katoden under elektrolysförloppet. PEC-cellerna fylldes med nästan neutralt pH-elektrolyter.

Forskarna visualiserade experimentellt minskningen av pH i regioner nära anoden och ökningen av pH i regioner nära katoden. Intressant, de observerade en medurs rörelse av elektrolyten när elektrolysen fortskrider. Observationen kan förklaras med flytkraft på grund av förändringar av elektrolytdensitet under den elektrokemiska reaktionen som leder till konvektion. "Det var förvånande att se att små förändringar i elektrolytdensitet (~ 0,1%) orsakar denna flytande effekt, säger Abdi.

Parallellt, Abdi och hans team utvecklade en flerfysisk modell för att beräkna konvektionen som induceras av elektrokemiska reaktioner. "Vi har testat denna modell noggrant och kan nu tillhandahålla ett kraftfullt verktyg för att simulera naturlig konvektion i en elektrokemisk cell med olika elektrolyter i förväg, säger Abdi.

För projektet har Abdi byggt upp en "Solar Fuel Devices Facility" på HZB, som ingår i Helmholtz Energy Materials Foundry (HEMF), en stor infrastruktur som också är öppen för andra forskare. Denna studie utfördes också i samarbete med TU Berlin, inom ramen för UniSysCat -excellenskluster.

"Med detta arbete utökar vi vår materialvetenskapliga expertis med insatser för fotoelektrokemisk reaktorteknik, vilket är ett väsentligt nästa steg för uppskalningen av enheter för solbränsle ", säger professor Dr. Roel van de Krol, som leder HZB Institute for Solar Fuels.