In una sola ora, più energia proveniente dal sole colpisce la Terra di tutta l'energia utilizzata dall'umanità in un intero anno. Immagina se l'energia del sole potesse essere sfruttata per alimentare il fabbisogno energetico della Terra, e fatto in modo economico, scalabile, e rispettoso dell'ambiente. I ricercatori hanno a lungo visto questa come una delle grandi sfide del 21° secolo.

Daniele Esposito, assistente professore di ingegneria chimica presso la Columbia Engineering, ha studiato l'elettrolisi dell'acqua – la scissione dell'acqua in ossigeno (O2) e idrogeno (H2) – come un modo per convertire l'elettricità dal solare fotovoltaico (PV) in idrogeno combustibile immagazzinabile. L'idrogeno è un combustibile pulito che viene attualmente utilizzato per spingere i razzi nel programma spaziale della NASA e si prevede che svolga un ruolo importante in un futuro energetico sostenibile. La stragrande maggioranza dell'idrogeno odierno è prodotta dal gas naturale attraverso un processo chiamato steam metano reforming che rilascia simultaneamente CO2, ma l'elettrolisi dell'acqua che utilizza l'elettricità dal solare fotovoltaico offre un percorso promettente per produrre H2 senza emissioni di CO2 associate.

Il team di Esposito ha ora sviluppato un nuovo dispositivo di elettrolisi alimentato da energia fotovoltaica che può funzionare come piattaforma autonoma che galleggia in acque libere. Il suo elettrolizzatore fotovoltaico galleggiante può essere pensato come una "piattaforma per combustibili solari" che ha una certa somiglianza con le piattaforme petrolifere di acque profonde, tranne per il fatto che produrrebbe idrogeno dalla luce solare e dall'acqua invece di estrarre petrolio dal fondo del mare. Lo studio, "Elettrolizzatore FV galleggiante senza membrana basato sulla separazione del prodotto guidata dalla galleggiabilità, " è stato pubblicato oggi da Giornale internazionale dell'energia dell'idrogeno .

L'innovazione chiave dei ricercatori è il metodo con cui separano i gas H2 e O2 prodotti dall'elettrolisi dell'acqua. Gli elettrolizzatori all'avanguardia utilizzano membrane costose per mantenere la separazione di questi due gas. Il dispositivo Columbia Engineering si basa invece su una nuova configurazione degli elettrodi che consente di separare e raccogliere i gas sfruttando la galleggiabilità delle bolle nell'acqua. Il design consente un funzionamento efficiente con un'elevata purezza del prodotto e senza pompare attivamente l'elettrolita. Basandosi sul concetto di separazione indotta dalla galleggiabilità, la semplice architettura dell'elettrolizzatore produce H2 con una purezza fino al 99%.

"La semplicità della nostra architettura dell'elettrolizzatore fotovoltaico? senza membrana o pompe? rende il nostro design particolarmente attraente per la sua applicazione all'elettrolisi dell'acqua di mare, grazie al suo potenziale di basso costo e maggiore durata rispetto agli attuali dispositivi che contengono membrane, "dice Esposito, il cui laboratorio di ingegneria dei combustibili solari sviluppa tecnologie solari ed elettrochimiche che convertono l'energia solare rinnovabile e abbondante in combustibili chimici immagazzinabili. "Riteniamo che il nostro prototipo sia la prima dimostrazione di un pratico sistema di elettrolizzatore fotovoltaico galleggiante senza membrana, e potrebbe ispirare "impianti per combustibili solari" su larga scala che potrebbero generare grandi quantità di carburante H2 da abbondante luce solare e acqua di mare senza occupare spazio sulla terra o competere con l'acqua dolce per usi agricoli".

I dispositivi elettrolizzatori commerciali si basano su una membrana, o divisore, per separare gli elettrodi all'interno del dispositivo da cui vengono prodotti gas H2 e O2. La maggior parte della ricerca sui dispositivi per l'elettrolisi si è concentrata su dispositivi che incorporano una membrana. Queste membrane e divisori sono soggetti a degradazione e guasto e richiedono una fonte di acqua ad elevata purezza. L'acqua di mare contiene impurità e microrganismi che possono facilmente distruggere queste membrane.

"Essere in grado di dimostrare in sicurezza un dispositivo in grado di eseguire l'elettrolisi senza una membrana ci avvicina di un altro passo al rendere possibile l'elettrolisi dell'acqua di mare, "dice Jack Davis, il primo autore del paper e uno studente di dottorato che lavora con Esposito. "Questi generatori di combustibili solari sono essenzialmente sistemi di fotosintesi artificiali, facendo la stessa cosa che fanno le piante con la fotosintesi, quindi il nostro dispositivo può aprire tutti i tipi di opportunità per generare pulito, energia rinnovabile."

Fondamentale per il funzionamento dell'elettrolizzatore FV di Esposito è una nuova configurazione di elettrodi che comprende elettrodi a flusso continuo rivestiti con un catalizzatore solo su un lato. Questi elettrodi asimmetrici favoriscono l'evoluzione dei prodotti gassosi di H2 e O2 solo sulle superfici esterne degli elettrodi dove sono stati depositati i catalizzatori. Quando le bolle crescenti di H2 e O2 diventano abbastanza grandi, la loro galleggiabilità li fa staccare dalle superfici degli elettrodi e galleggiare verso l'alto in camere di raccolta aeree separate.

Il team ha utilizzato la Columbia Clean Room per depositare l'elettrocatalizzatore di platino sugli elettrodi a rete e sulle stampanti 3D nel Columbia Makerspace per realizzare molti dei componenti del reattore. Hanno anche usato una videocamera ad alta velocità per monitorare il trasporto di bolle di H2 e O2 tra gli elettrodi, un processo noto come "crossover". Il crossover tra gli elettrodi è indesiderabile perché riduce la purezza del prodotto, portando a problemi di sicurezza e alla necessità di unità di separazione a valle che rendono il processo più costoso.

Per monitorare gli eventi di crossover H2 e O2, i ricercatori hanno incorporato finestre in tutti i loro dispositivi di elettrolisi in modo da poter riprendere video ad alta velocità dell'evoluzione delle bolle di gas dagli elettrodi mentre il dispositivo era in funzione. Questi video sono stati generalmente ripresi a una velocità di 500 fotogrammi al secondo (un tipico iPhone acquisisce video a una velocità di 30 fotogrammi al secondo).

Il team sta perfezionando il proprio design per un funzionamento più efficiente in acqua di mare reale, che pone ulteriori sfide rispetto agli elettroliti acquosi più ideali utilizzati nei loro studi di laboratorio. Hanno anche in programma di sviluppare progetti modulari che possono utilizzare per costruire più grandi, sistemi in scala.

Esposito aggiunge:"Sono tante le soluzioni tecnologiche possibili per realizzare un futuro energetico sostenibile, ma nessuno sa esattamente quale tecnologia specifica o combinazione di tecnologie sarà la migliore da perseguire. Siamo particolarmente entusiasti del potenziale delle tecnologie dei combustibili solari a causa dell'enorme quantità di energia solare disponibile. La nostra sfida è trovare tecnologie scalabili ed economiche che convertano la luce solare in un'utile forma di energia che può essere immagazzinata anche quando il sole non splende".

Lo studio è intitolato "Elettrolizzatore fotovoltaico senza membrana galleggiante basato sulla separazione del prodotto guidata dalla galleggiabilità".