En una sola hora, más energía del sol golpea la Tierra que toda la energía utilizada por la humanidad en un año entero. Imagínese si la energía del sol pudiera aprovecharse para satisfacer las necesidades de energía en la Tierra y hacerse de una manera económica, escalable y ambientalmente responsable. Los investigadores lo han visto por mucho tiempo 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 O 2 e hidrógeno H 2 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 actualmente se utiliza para impulsar cohetes en el programa espacial de la NASA y se espera que juegue un papel importante en un futuro energético sostenible.La gran mayoría del hidrógeno actual se produce a partir del gas natural a través de un proceso llamado reforma de metano a vapor que libera simultáneamente CO 2 , pero la electrólisis del agua con electricidad de la energía solar fotovoltaica ofrece una ruta prometedora para producir H 2 sin ningún CO asociado 2 emisiones
El equipo de Esposito ha desarrollado un novedoso dispositivo de electrólisis con 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 se parece un poco aplataformas petroleras de aguas profundas, excepto que produciría combustible de hidrógeno a partir de la luz solar y el agua en lugar de extraer petróleo de debajo del fondo del mar.
La innovación clave de los investigadores es el método por el cual separan la H 2 y O 2 gases producidos por la electrólisis del agua. Los electrolizadores de última generación utilizan membranas costosas para mantener la separación de estos dos gases. El dispositivo Columbia Engineering se basa en una nueva configuración de electrodos que permite que los gases se separen y recojan utilizando la flotabilidadde burbujas en el agua. El diseño permite una operación eficiente con alta pureza del producto y sin bombear activamente el electrolito. Basado en el concepto de separación inducida por flotabilidad, la arquitectura de electrolizador simple produce H 2 con una pureza de hasta el 99 por ciento
"La simplicidad de nuestra arquitectura de electrolizadores fotovoltaicos? Sin membrana ni bombas? Hace que nuestro diseño sea particularmente atractivo para su aplicación a la electrólisis del agua de mar, gracias a su potencial de bajo costo y mayor durabilidad en comparación con los dispositivos actuales que contienen membranas", diceEsposito, 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 PV flotante sin membrana, y podría inspirar a gran escala'plataformas de combustibles solares' que podrían generar grandes cantidades de H 2 combustible de abundante luz solar y agua de mar sin ocupar espacio en tierra ni competir con agua dulce para usos agrícolas "
Los dispositivos electrolizadores comerciales se basan en una membrana o divisor para separar los electrodos dentro del dispositivo del cual H 2 y O 2 se producen gases. La mayor parte de la investigación para dispositivos de electrólisis se ha centrado en dispositivos que incorporan una membrana. Estas membranas y divisores son propensos a la degradación y falla y requieren una fuente de agua de alta pureza. El agua de mar contiene impurezas y microorganismos que pueden destruir fácilmenteestas membranas
"Ser capaz de demostrar con seguridad un dispositivo que puede realizar la electrólisis sin una membrana nos acerca un paso más para 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 solaresson esencialmente sistemas de fotosíntesis artificial, que hacen lo mismo que hacen las plantas con la fotosíntesis, por lo que nuestro dispositivo puede abrir todo tipo de oportunidades para generar energía limpia y renovable ".
Crucial para la operación del electrolizador PV de Esposito es una nueva configuración de electrodos que comprende electrodos de flujo de malla que están recubiertos con un catalizador solo en un lado. Estos electrodos asimétricos promueven la evolución del H gaseoso 2 y O 2 productos solo en las superficies externas de los electrodos donde se han depositado los catalizadores. Cuando el crecimiento H 2 y O 2 las burbujas 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 electrocatalizador de platino en los electrodos de malla y las impresoras 3D en el Columbia Makerspace para fabricar muchos de los componentes del reactor. También utilizaron una cámara de video de alta velocidad para monitorear el transporte de H 2 y O 2 burbujas entre electrodos, un proceso conocido como "cruce". 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 H 2 y O 2 eventos cruzados, los investigadores incorporaron ventanas en todos sus dispositivos de electrólisis para poder tomar videos de alta velocidad de la evolución de las burbujas de gas de los electrodos mientras el dispositivo estaba funcionando. Estos videos generalmente se tomaron a una velocidad de 500 fotogramas por segundoun iPhone típico captura video a una velocidad de 30 cuadros por segundo.
El equipo está perfeccionando su diseño para una operación 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 a mayor escalasistemas.
Esposito agrega: "Existen muchas soluciones tecnológicas posibles para lograr un futuro energético sostenible, pero nadie sabe exactamente qué tecnología específica o combinación de tecnologías será la mejor opción. Estamos especialmente entusiasmados con el potencial de las tecnologías de combustibles solares debido ala tremenda 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 ".
VIDEO: http://www.youtube.com/watch?v=Us40HQJ_HoA&feature=youtu.be
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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