El hidrógeno producido mediante el uso de energía solar podría contribuir a un sistema energético neutro para el clima del futuro. Pero existen obstáculos en el camino desde la escala de laboratorio hasta la implementación a gran escala. Un equipo de HZB ha presentado un método para visualizar la convección en el electrolito y simularla de forma fiable por adelantado con un modelo multifísico. Los resultados pueden respaldar el diseño y la ampliación de esta tecnología y se han publicado en la reconocida revista Ciencias de la energía y el medio ambiente .

El hidrógeno se puede producir con energías renovables de forma climáticamente neutra y podría hacer una importante contribución al sistema energético del futuro. Una de las opciones es utilizar la luz solar para la división del agua electrolítica, ya sea indirectamente acoplando una celda solar con un electrolizador o directamente en una celda fotoelectroquímica (PEC). Los semiconductores absorbentes de luz sirven como fotoelectrodos. Se sumergen en una solución electrolítica de agua mezclada con ácidos o bases fuertes, que contiene una alta concentración de protones o iones hidróxido necesarios para una electrólisis eficiente.

Sin embargo, en una planta a gran escala, Por razones de seguridad, tendría sentido utilizar una solución de electrolitos con un pH casi neutro. Tal solución tiene una baja concentración de protones e iones hidróxido, lo que conduce a limitaciones de transporte masivo y un rendimiento deficiente. Comprender estas limitaciones es esencial para diseñar un dispositivo divisor de agua PEC seguro y escalable.

Un equipo dirigido por la Dra. Fatwa Abdi del Instituto HZB de Combustibles Solares ha investigado por primera vez cómo se comporta el electrolito líquido en toda la celda durante la electrólisis:con la ayuda de láminas de sensores de pH fluorescentes, Dr. Keisuke Obata, un postdoctorado en el equipo de Abdi, determinó el valor de pH local en las células PEC entre el ánodo y el cátodo durante el curso de la electrólisis. Las celdas PEC se llenaron con electrolitos de pH casi neutro.

Los científicos visualizaron experimentalmente la disminución del pH en las regiones cercanas al ánodo y el aumento del pH en las regiones cercanas al cátodo. Curiosamente, observaron un movimiento del electrolito en el sentido de las agujas del reloj a medida que avanza la electrólisis. La observación puede explicarse por la flotabilidad debida a cambios en la densidad del electrolito durante la reacción electroquímica que conduce a la convección. "Fue sorprendente ver que pequeños cambios en la densidad de electrolitos (~ 0.1%) causan este efecto de flotabilidad, "dice Abdi.

En paralelo, Abdi y su equipo desarrollaron un modelo multifísico para calcular la convección inducida por reacciones electroquímicas. "Hemos probado exhaustivamente este modelo y ahora podemos proporcionar una herramienta poderosa para simular la convección natural en una celda electroquímica con varios electrolitos de antemano, "dice Abdi.

Para el proyecto, Abdi ha construido una "Instalación de dispositivos de combustible solar" en HZB, que forma parte de Helmholtz Energy Materials Foundry (HEMF), una gran infraestructura abierta también a otros científicos. Este estudio también se realizó en colaboración con TU Berlin, en el marco del clúster de excelencia UniSysCat.

"Con este trabajo estamos ampliando nuestra experiencia en ciencia de materiales con esfuerzos en ingeniería de reactores fotoelectroquímicos, que es un paso siguiente esencial para la ampliación de los dispositivos de combustible solar ", dice el Prof. Dr. Roel van de Krol, quien dirige el Instituto HZB de Combustibles Solares.