L'idrogeno prodotto utilizzando l'energia solare potrebbe contribuire a un sistema energetico neutrale dal punto di vista climatico del futuro. Ma ci sono ostacoli sulla strada dalla scala di laboratorio all'implementazione su larga scala. Un team di HZB ha ora presentato un metodo per visualizzare la convezione nell'elettrolita e per simularla in anticipo in modo affidabile con un modello multifisico. I risultati possono supportare la progettazione e l'espansione di questa tecnologia e sono stati pubblicati nella rinomata rivista Scienze energetiche e ambientali .

L'idrogeno può essere prodotto con energie rinnovabili in modo climaticamente neutro e potrebbe dare un contributo importante al sistema energetico del futuro. Una delle opzioni è quella di utilizzare la luce solare per la scissione elettrolitica dell'acqua, indirettamente accoppiando una cella solare con un elettrolizzatore o direttamente in una cella fotoelettrochimica (PEC). I semiconduttori che assorbono la luce fungono da fotoelettrodi. Sono immersi in una soluzione elettrolitica di acqua mista ad acidi o basi forti, che contiene un'alta concentrazione di protoni o ioni idrossido necessari per un'elettrolisi efficiente.

Però, in un grande impianto, avrebbe senso per motivi di sicurezza utilizzare una soluzione elettrolitica con un pH quasi neutro. Tale soluzione ha una bassa concentrazione di protoni e ioni idrossido, che porta a limitazioni del trasporto di massa e scarse prestazioni. Comprendere queste limitazioni è essenziale per progettare un dispositivo di suddivisione dell'acqua PEC sicuro e scalabile.

Un team guidato dalla dott.ssa Fatwa Abdi dell'HZB Institute for Solar Fuels ha ora studiato per la prima volta come si comporta l'elettrolita liquido in tutta la cella durante l'elettrolisi:con l'aiuto di pellicole fluorescenti per sensori di pH, Dottor Keisuke Obata, un postdoc nella squadra di Abdi, determinato il valore di pH locale nelle celle PEC tra l'anodo e il catodo durante il corso dell'elettrolisi. Le celle PEC sono state riempite con elettroliti a pH quasi neutro.

Gli scienziati hanno visualizzato sperimentalmente la diminuzione del pH nelle regioni vicine all'anodo e l'aumento del pH nelle regioni vicine al catodo. interessante, hanno osservato un movimento in senso orario dell'elettrolita mentre l'elettrolisi procede. L'osservazione può essere spiegata dal galleggiamento dovuto ai cambiamenti di densità dell'elettrolita durante la reazione elettrochimica che porta alla convezione. "È stato sorprendente vedere che piccoli cambiamenti nella densità dell'elettrolito (~ 0,1%) causano questo effetto di galleggiamento, "dice Abdi.

In parallelo, Abdi e il suo team hanno sviluppato un modello multifisico per calcolare la convezione indotta dalle reazioni elettrochimiche. "Abbiamo testato a fondo questo modello e ora siamo in grado di fornire un potente strumento per simulare in anticipo la convezione naturale in una cella elettrochimica con vari elettroliti, "dice Abdi.

Per il progetto Abdi ha costruito un "impianto di dispositivi a combustibile solare" presso HZB, che fa parte della fonderia di materiali energetici Helmholtz (HEMF), una grande infrastruttura aperta anche ad altri scienziati. Questo studio è stato condotto anche in collaborazione con TU Berlin, nell'ambito del cluster di eccellenza UniSysCat.

"Con questo lavoro stiamo ampliando la nostra esperienza nella scienza dei materiali con sforzi sull'ingegneria dei reattori fotoelettrochimici, che è un passo successivo essenziale per lo scale-up dei dispositivi a combustibile solare", afferma il Prof. Dr. Roel van de Krol, che dirige l'Istituto HZB per i combustibili solari.