En una sola hora más energía del sol llega a la Tierra que toda la energía utilizada por la humanidad en todo un año. Imagínese si la energía del sol pudiera aprovecharse para satisfacer las necesidades energéticas de la Tierra, y hecho de una manera económica, escalable y ambientalmente responsable. Los investigadores han visto desde hace mucho tiempo esto como uno de los grandes desafíos del siglo XXI.

Daniel Esposito, profesor asistente de ingeniería química en Columbia Engineering, ha estado estudiando la electrólisis del agua (la división del agua en oxígeno (O2) e hidrógeno (H2) combustible) como una forma de convertir la electricidad de la energía solar fotovoltaica (PV) en combustible de hidrógeno almacenable. El hidrógeno es un combustible limpio que se utiliza actualmente para propulsar cohetes en el programa espacial de la NASA y se espera que desempeñe un papel importante en un futuro energético sostenible. La gran mayoría del hidrógeno actual se produce a partir de gas natural a través de un proceso llamado reformado de metano con vapor que simultáneamente libera CO2. pero la electrólisis del agua que utiliza electricidad de la energía solar fotovoltaica ofrece una ruta prometedora para producir H2 sin emisiones de CO2 asociadas.

El equipo de Esposito ha desarrollado un nuevo dispositivo de electrólisis de energía fotovoltaica que puede funcionar como una plataforma independiente que flota en aguas abiertas. Su electrolizador fotovoltaico flotante puede considerarse como una "plataforma de combustibles solares" que tiene cierto parecido con las plataformas petrolíferas de aguas profundas. excepto que produciría combustible de hidrógeno a partir de la luz solar y el agua en lugar de extraer petróleo del fondo del mar. El estudio, "Electrolizador fotovoltaico flotante sin membrana basado en la separación de productos impulsada por flotabilidad, "fue publicado hoy por Revista Internacional de Energía de Hidrógeno .

La innovación clave de los investigadores es el método mediante el cual separan los gases H2 y O2 producidos por la electrólisis del agua. Los electrolizadores de última generación utilizan membranas caras para mantener la separación de estos dos gases. En cambio, el dispositivo de Columbia Engineering se basa en una nueva configuración de electrodos que permite que los gases se separen y recolecten utilizando la flotabilidad de las burbujas en el agua. El diseño permite un funcionamiento eficiente con una alta pureza del producto y sin bombear activamente el electrolito. Basado en el concepto de separación inducida por flotabilidad, la arquitectura simple del electrolizador produce H2 con una pureza de hasta el 99 por ciento.

"La simplicidad de nuestra arquitectura de electrolizador fotovoltaico, sin membrana ni bombas, hace que nuestro diseño sea particularmente atractivo para su aplicación a la electrólisis de agua de mar. gracias a su potencial de bajo costo y mayor durabilidad en comparación con los dispositivos actuales que contienen membranas, "dice Esposito, cuyo Laboratorio de Ingeniería de Combustibles Solares desarrolla tecnologías solares y electroquímicas que convierten la energía solar renovable y abundante en combustibles químicos almacenables. "Creemos que nuestro prototipo es la primera demostración de un práctico sistema de electrolizador fotovoltaico flotante sin membrana, y podría inspirar 'plataformas de combustibles solares' a gran escala que podrían generar grandes cantidades de combustible H2 a partir de abundante luz solar y agua de mar sin ocupar ningún espacio en la tierra o competir con el agua dulce para usos agrícolas ".

Los dispositivos electrolizadores comerciales se basan en una membrana, o divisor, para separar los electrodos dentro del dispositivo a partir del cual se producen los gases H2 y O2. La mayor parte de la investigación sobre dispositivos de electrólisis se ha centrado en dispositivos que incorporan una membrana. Estas membranas y divisores son propensos a degradarse y fallar y requieren una fuente de agua de alta pureza. El agua de mar contiene impurezas y microorganismos que pueden destruir fácilmente estas membranas.

"Poder demostrar de forma segura un dispositivo que puede realizar la electrólisis sin una membrana nos acerca un paso más a hacer posible la electrólisis del agua de mar, "dice Jack Davis, el primer autor del artículo y un estudiante de doctorado que trabaja con Esposito. "Estos generadores de combustibles solares son esencialmente sistemas de fotosíntesis artificiales, haciendo lo mismo que hacen las plantas con la fotosíntesis, por lo que nuestro dispositivo puede abrir todo tipo de oportunidades para generar limpieza, energía renovable."

Es crucial para el funcionamiento del electrolizador fotovoltaico de Esposito una nueva configuración de electrodos que comprende electrodos de flujo continuo de malla que están recubiertos con un catalizador solo en un lado. Estos electrodos asimétricos promueven la evolución de productos de H2 y O2 gaseosos solo en las superficies externas de los electrodos donde se han depositado los catalizadores. Cuando las burbujas crecientes de H2 y O2 se vuelven lo suficientemente grandes, su flotabilidad hace que se desprendan de las superficies de los electrodos y floten hacia arriba en cámaras de recolección superiores separadas.

El equipo utilizó la sala limpia de Columbia para depositar el electrocatalizador de platino en los electrodos de malla y las impresoras 3D en Columbia Makerspace para fabricar muchos de los componentes del reactor. También utilizaron una cámara de video de alta velocidad para monitorear el transporte de burbujas de H2 y O2 entre electrodos. un proceso conocido como "crossover". El cruce entre electrodos no es deseable porque disminuye la pureza del producto, lo que genera problemas de seguridad y la necesidad de unidades de separación aguas abajo que encarecen el proceso.

Para monitorear los eventos de cruce de H2 y O2, los investigadores incorporaron ventanas en todos sus dispositivos de electrólisis para que pudieran tomar videos de alta velocidad de la evolución de las burbujas de gas de los electrodos mientras el dispositivo estaba en funcionamiento. Estos videos se tomaron típicamente a una velocidad de 500 cuadros por segundo (un iPhone típico captura videos a una velocidad de 30 cuadros por segundo).

El equipo está perfeccionando su diseño para un funcionamiento más eficiente en agua de mar real, lo que plantea desafíos adicionales en comparación con los electrolitos acuosos más ideales utilizados en sus estudios de laboratorio. También planean desarrollar diseños modulares que puedan usar para construir más grandes, sistemas ampliados.

Esposito añade:"Hay muchas soluciones tecnológicas posibles para lograr un futuro energético sostenible, pero nadie sabe exactamente qué tecnología específica o combinación de tecnologías será la mejor a seguir. Estamos especialmente entusiasmados con el potencial de las tecnologías de combustibles solares debido a la enorme cantidad de energía solar disponible. Nuestro desafío es encontrar tecnologías escalables y económicas que conviertan la luz solar en una forma útil de energía que también se pueda almacenar para los momentos en que el sol no brilla ".

El estudio se titula "Electrolizador fotovoltaico flotante sin membrana basado en la separación de productos impulsada por la flotabilidad".