为海水电解创造的浮动太阳能燃料钻机

在一个小时内，来自太阳的更多能量冲击地球，而不是人类在一整年中使用的所有能量。想象一下，如果可以利用太阳的能量来满足地球上的能量需求，并以经济，可扩展和环保的方式完成。研究人员长期以来认为这是21世纪的重大挑战之一。

哥伦比亚工程公司化学工程助理教授丹尼尔埃斯波西托一直在研究水电解 - 将水分解成氧气(O 2)和氢气(H 2)燃料?作为将太阳能光伏发电(PV)转换成可储存电能的方法氢燃料。氢气是一种清洁燃料，目前用于推进美国宇航局太空计划中的火箭，人们普遍认为氢气在可持续能源未来中发挥着重要作用。绝大多数今天的氢是从天然气通过这个过程被称为蒸汽甲烷重整同时释放CO产生2，但使用电力从太阳能光伏电解水提供了一个有希望的途径，以生成H 2而没有任何相关联的CO 2 排放。

Esposito的团队现已开发出一种新型光伏供电电解装置，可作为独立平台在浮水上漂浮。他的浮式光伏电解槽可以被认为是一种“太阳能燃料钻机”，它与深海石油钻井平台有一些相似之处，除了它可以从阳光和水中产生氢燃料，而不是从海底下方提取石油。

研究人员的关键创新是分离水电解产生的H 2和O 2气体的方法。最先进的电解槽使用昂贵的膜来保持这两种气体的分离。哥伦比亚工程设备依赖于一种新颖的电极配置，该配置允许使用水中气泡的浮力来分离和收集气体。该设计实现了高效操作，产品纯度高，无需主动泵送电解液。基于浮力诱导分离的概念，简单的电解槽结构产生H 2，纯度高达99%。

“我们的光伏电解槽结构的简单性?没有膜或泵?使我们的设计特别适用于海水电解，因为与现有的含膜相比，它具有低成本和高耐久性的潜力，”Esposito说，其太阳能燃料工程实验室开发太阳能和电化学技术，将可再生和丰富的太阳能转化为可储存的化学燃料。“我们相信我们的原型是第一个实用的无膜浮动光伏电解槽系统的示范，可以激发大规模的”太阳能燃料钻机“，可以从充足的阳光和海水中产生大量的H 2燃料而不占用任何空间在陆地上或与淡水竞争农业用途。“

商业电解器装置依靠膜或分隔器来分离产生H 2和O 2气体的装置内的电极。大多数电解装置的研究都集中在装有膜的装置上。这些膜和分隔器易于降解和失效，需要高纯度的水源。海水含有杂质和微生物，很容易破坏这些膜。

“能够安全地展示一种可以在没有膜的情况下进行电解的设备，使我们又能够进一步推动海水电解，”该论文的第一作者，与埃斯波西托合作的博士生杰克戴维斯说。“这些太阳能燃料发电机基本上是人工光合作用系统，与植物在光合作用方面做同样的事情，因此我们的设备可以开辟各种机会，产生清洁，可再生的能源。”

Esposito的PV电解槽的操作的关键是一种新颖的电极配置，其包括仅在一侧涂覆有催化剂的网状流通电极。这些不对称电极仅在催化剂已经沉积的电极的外表面上促进气态H 2和O 2产物的产生。当生长的H 2和O 2气泡变得足够大时，它们的浮力使它们从电极表面脱离并向上漂浮到单独的顶部收集室中。

该团队使用哥伦比亚洁净室将铂电催化剂沉积在网状电极和哥伦比亚制造空间的3D打印机上，以制造许多反应堆组件。他们还使用高速摄像机监测电极之间H 2和O 2气泡的传输，这一过程称为“交叉”。电极之间的交叉是不希望的，因为它降低了产品纯度，导致安全问题以及对使该方法更昂贵的下游分离单元的需求。

为了监测H 2和O 2交叉事件，研究人员在所有电解设备中加入了窗口，这样他们就可以在设备运行时从电极上获取气泡释放的高速视频。这些视频通常以每秒500帧的速度拍摄(典型的iPhone以每秒30帧的速度捕获视频)。

该团队正在改进其设计，以便在真实海水中更有效地运行，与其实验室研究中使用的更理想的含水电解质相比，这带来了额外的挑战。他们还计划开发模块化设计，用于构建更大规模的系统。

埃斯波西托补充说：“有许多可能的技术解决方案可以实现可持续的能源未来，但没有人确切知道具体的技术或技术组合将是最好的。我们对太阳能燃料技术的潜力感到特别兴奋，因为它们具有巨大的潜力。我们面临的挑战是寻找可扩展且经济的技术，将太阳光转化为有用的能量形式，当太阳不发光时，这些能量也可以储存。“