Em uma única hora, mais energia do sol atinge a Terra do que toda a energia usada pela humanidade em um ano inteiro. Imagine se a energia do sol pudesse ser aproveitada para atender às necessidades de energia elétrica da Terra, e feito de uma forma econômica, escalável, e ambientalmente responsável. Os pesquisadores há muito vêem isso como um dos grandes desafios do século 21.

Daniel Esposito, professor assistente de engenharia química na Columbia Engineering, tem estudado a eletrólise da água - a divisão da água em combustível de oxigênio (O2) e hidrogênio (H2) - como uma forma de converter eletricidade de energia solar fotovoltaica (PVs) em combustível de hidrogênio armazenável. O hidrogênio é um combustível limpo que é usado atualmente para impulsionar foguetes no programa espacial da NASA e é amplamente esperado que desempenhe um papel importante em um futuro de energia sustentável. A grande maioria do hidrogênio de hoje é produzida a partir do gás natural por meio de um processo chamado reforma do metano a vapor, que simultaneamente libera CO2, mas a eletrólise da água usando eletricidade da energia solar fotovoltaica oferece uma rota promissora para produzir H2 sem quaisquer emissões de CO2 associadas.

A equipe de Esposito desenvolveu agora um novo dispositivo de eletrólise movido a energia fotovoltaica que pode operar como uma plataforma autônoma que flutua em águas abertas. Seu eletrolisador fotovoltaico flutuante pode ser considerado uma "plataforma de combustível solar" que tem alguma semelhança com plataformas de petróleo em alto mar, exceto que produziria combustível de hidrogênio a partir da luz solar e da água, em vez de extrair petróleo do fundo do mar. O estudo, "Eletrolisador fotovoltaico sem membrana flutuante baseado na separação de produto impulsionada por flutuabilidade, "foi publicado hoje por Jornal Internacional de Energia de Hidrogênio .

A principal inovação dos pesquisadores é o método pelo qual separam os gases H2 e O2 produzidos pela eletrólise da água. Eletrolisadores de última geração usam membranas caras para manter a separação desses dois gases. O dispositivo da Columbia Engineering depende, em vez disso, de uma nova configuração de eletrodo que permite que os gases sejam separados e coletados usando a flutuabilidade das bolhas na água. O design permite uma operação eficiente com alta pureza do produto e sem bombear ativamente o eletrólito. Com base no conceito de separação induzida por flutuabilidade, a arquitetura simples do eletrolisador produz H2 com pureza de até 99%.

"A simplicidade de nossa arquitetura de eletrolisador PV - sem uma membrana ou bombas - torna nosso projeto particularmente atraente para sua aplicação em eletrólise de água do mar, graças ao seu potencial de baixo custo e maior durabilidade em comparação aos dispositivos atuais que contêm membranas, "diz Esposito, cujo Laboratório de Engenharia de Combustíveis Solares desenvolve tecnologias solares e eletroquímicas que convertem energia solar renovável e abundante em combustíveis químicos armazenáveis. "Acreditamos que nosso protótipo seja a primeira demonstração de um sistema prático de eletrolisador fotovoltaico flutuante sem membrana, e poderia inspirar 'plataformas de combustíveis solares' em grande escala que poderiam gerar grandes quantidades de combustível H2 a partir de luz solar abundante e água do mar, sem ocupar qualquer espaço em terra ou competir com água doce para usos agrícolas. "

Dispositivos eletrolisadores comerciais dependem de uma membrana, ou divisor, para separar os eletrodos dentro do dispositivo a partir do qual os gases H2 e O2 são produzidos. A maior parte da pesquisa para dispositivos de eletrólise tem se concentrado em dispositivos que incorporam uma membrana. Essas membranas e divisórias estão sujeitas à degradação e falha e requerem uma fonte de água de alta pureza. A água do mar contém impurezas e microorganismos que podem destruir facilmente essas membranas.

"Ser capaz de demonstrar com segurança um dispositivo que pode realizar eletrólise sem uma membrana nos traz mais um passo mais perto de tornar possível a eletrólise da água do mar, "diz Jack Davis, o primeiro autor do artigo e um aluno de doutorado trabalhando com Esposito. "Esses geradores de combustível solar são essencialmente sistemas de fotossíntese artificiais, fazendo a mesma coisa que as plantas fazem com a fotossíntese, portanto, nosso dispositivo pode abrir todos os tipos de oportunidades para gerar uma geração limpa, energia renovável."

Crucial para a operação do eletrolisador PV da Esposito é uma nova configuração de eletrodo que compreende eletrodos de fluxo em malha que são revestidos com um catalisador apenas em um lado. Esses eletrodos assimétricos promovem a evolução de produtos gasosos de H2 e O2 apenas nas superfícies externas dos eletrodos onde os catalisadores foram depositados. Quando as bolhas crescentes de H2 e O2 se tornam grandes o suficiente, sua flutuabilidade faz com que eles se desprendam das superfícies do eletrodo e flutuem para cima em câmaras de coleta suspensas separadas.

A equipe usou a sala limpa de Columbia para depositar o eletrocatalisador de platina nos eletrodos de malha e as impressoras 3D no Columbia Makerspace para fazer muitos dos componentes do reator. Eles também usaram uma câmera de vídeo de alta velocidade para monitorar o transporte de bolhas de H2 e O2 entre os eletrodos, um processo conhecido como "crossover". O cruzamento entre os eletrodos é indesejável porque diminui a pureza do produto, levando a questões de segurança e à necessidade de unidades de separação a jusante que tornam o processo mais caro.

A fim de monitorar eventos de crossover H2 e O2, os pesquisadores incorporaram janelas em todos os seus dispositivos de eletrólise para que pudessem fazer vídeos de alta velocidade da evolução das bolhas de gás dos eletrodos enquanto o dispositivo estava operando. Esses vídeos foram normalmente feitos a uma taxa de 500 quadros por segundo (um iPhone típico captura vídeo a uma taxa de 30 quadros por segundo).

A equipe está refinando seu projeto para uma operação mais eficiente em água do mar real, o que representa desafios adicionais em comparação com os eletrólitos aquosos mais ideais usados ​​em seus estudos de laboratório. Eles também planejam desenvolver projetos modulares que podem ser usados ​​para construir maiores, sistemas ampliados.

Esposito acrescenta:"Existem muitas soluções tecnológicas possíveis para alcançar um futuro de energia sustentável, mas ninguém sabe exatamente qual tecnologia específica ou combinação de tecnologias será melhor perseguir. Estamos especialmente entusiasmados com o potencial das tecnologias de combustíveis solares devido à enorme quantidade de energia solar disponível. Nosso desafio é encontrar tecnologias escalonáveis ​​e econômicas que convertam a luz do sol em uma forma útil de energia que também pode ser armazenada nos momentos em que o sol não está brilhando. "

O estudo é intitulado "Eletrolisador PV sem membrana flutuante baseado na separação de produtos impulsionada por flutuabilidade."