En une heure, plus d'énergie du soleil frappe la Terre que toute l'énergie utilisée par l'humanité en une année entière. Imaginez si l'énergie du soleil pouvait être exploitée pour alimenter les besoins énergétiques de la Terre, et fait d'une manière qui est économique, évolutif, et éco-responsable. Les chercheurs ont longtemps considéré cela comme l'un des grands défis du 21e siècle.

Daniel Esposito, professeur adjoint de génie chimique à Columbia Engineering, a étudié l'électrolyse de l'eau - la division de l'eau en combustible oxygène (O2) et hydrogène (H2) - comme moyen de convertir l'électricité de l'énergie solaire photovoltaïque (PV) en combustible hydrogène stockable. L'hydrogène est un carburant propre qui est actuellement utilisé pour propulser des fusées dans le programme spatial de la NASA et devrait largement jouer un rôle important dans un avenir énergétique durable. La grande majorité de l'hydrogène d'aujourd'hui est produite à partir de gaz naturel grâce à un processus appelé reformage du méthane à la vapeur qui libère simultanément du CO2, mais l'électrolyse de l'eau utilisant l'électricité solaire photovoltaïque offre une voie prometteuse pour produire du H2 sans aucune émission de CO2 associée.

L'équipe d'Esposito a maintenant développé un nouveau dispositif d'électrolyse à énergie photovoltaïque qui peut fonctionner comme une plate-forme autonome flottant en eau libre. Son électrolyseur photovoltaïque flottant peut être considéré comme une « plate-forme de carburant solaire » qui ressemble un peu aux plates-formes pétrolières en haute mer, sauf qu'il produirait de l'hydrogène à partir de la lumière du soleil et de l'eau au lieu d'extraire du pétrole sous le fond marin. L'étude, "Électrolyseur PV sans membrane flottant basé sur la séparation des produits par flottabilité, " a été publié aujourd'hui par Journal international de l'énergie hydrogène .

L'innovation clé des chercheurs est la méthode par laquelle ils séparent les gaz H2 et O2 produits par l'électrolyse de l'eau. Les électrolyseurs de pointe utilisent des membranes coûteuses pour maintenir la séparation de ces deux gaz. Le dispositif Columbia Engineering repose plutôt sur une nouvelle configuration d'électrodes qui permet de séparer et de collecter les gaz en utilisant la flottabilité des bulles dans l'eau. La conception permet un fonctionnement efficace avec une pureté élevée du produit et sans pompage actif de l'électrolyte. Basé sur le concept de séparation induite par la flottabilité, l'architecture simple de l'électrolyseur produit du H2 d'une pureté pouvant atteindre 99 %.

« La simplicité de notre architecture d'électrolyseur PV - sans membrane ni pompes - rend notre conception particulièrement attractive pour son application à l'électrolyse de l'eau de mer, grâce à son potentiel de faible coût et de durabilité supérieure par rapport aux dispositifs actuels qui contiennent des membranes, " dit Esposito, dont le Laboratoire d'ingénierie des carburants solaires développe des technologies solaires et électrochimiques qui convertissent l'énergie solaire renouvelable et abondante en carburants chimiques stockables. "Nous pensons que notre prototype est la première démonstration d'un système d'électrolyseur PV flottant sans membrane pratique, et pourrait inspirer des « plates-formes de combustibles solaires » à grande échelle qui pourraient générer de grandes quantités de carburant H2 à partir de la lumière du soleil abondante et de l'eau de mer sans prendre de place sur terre ni concurrencer l'eau douce à des fins agricoles. »

Les électrolyseurs commerciaux reposent sur une membrane, ou diviseur, pour séparer les électrodes à l'intérieur du dispositif à partir desquelles les gaz H2 et O2 sont produits. La plupart des recherches sur les appareils d'électrolyse se sont concentrées sur les appareils qui incorporent une membrane. Ces membranes et séparateurs sont sujets à la dégradation et à la défaillance et nécessitent une source d'eau de haute pureté. L'eau de mer contient des impuretés et des micro-organismes qui peuvent facilement détruire ces membranes.

"Être capable de démontrer en toute sécurité un appareil capable d'effectuer l'électrolyse sans membrane nous rapproche un peu plus de la réalisation de l'électrolyse de l'eau de mer, " dit Jack Davis, le premier auteur de l'article et un doctorant travaillant avec Esposito. "Ces générateurs de combustibles solaires sont essentiellement des systèmes de photosynthèse artificielle, faire la même chose que les plantes font avec la photosynthèse, Ainsi, notre appareil peut ouvrir toutes sortes d'opportunités pour générer du propre, énergie renouvelable."

Un élément crucial pour le fonctionnement de l'électrolyseur PV d'Esposito est une nouvelle configuration d'électrodes comprenant des électrodes à écoulement continu en maille qui sont recouvertes d'un catalyseur uniquement sur un côté. Ces électrodes asymétriques favorisent le dégagement de produits gazeux H2 et O2 uniquement sur les surfaces externes des électrodes où les catalyseurs ont été déposés. Lorsque les bulles d'H2 et d'O2 en croissance deviennent suffisamment grosses, leur flottabilité les fait se détacher des surfaces des électrodes et flotter vers le haut dans des chambres de collecte séparées en hauteur.

L'équipe a utilisé la salle blanche de Columbia pour déposer un électrocatalyseur de platine sur les électrodes à mailles et les imprimantes 3D du Columbia Makerspace pour fabriquer de nombreux composants du réacteur. Ils ont également utilisé une caméra vidéo haute vitesse pour surveiller le transport des bulles d'H2 et d'O2 entre les électrodes, un processus connu sous le nom de « croisement ». Le croisement entre les électrodes est indésirable car il diminue la pureté du produit, entraînant des problèmes de sécurité et le besoin d'unités de séparation en aval qui rendent le processus plus coûteux.

Afin de surveiller les événements de croisement H2 et O2, les chercheurs ont intégré des fenêtres dans tous leurs appareils d'électrolyse afin qu'ils puissent prendre des vidéos à grande vitesse de l'évolution des bulles de gaz à partir des électrodes pendant que l'appareil fonctionnait. Ces vidéos étaient généralement prises à une cadence de 500 images par seconde (un iPhone typique capture une vidéo à une cadence de 30 images par seconde).

L'équipe affine leur conception pour un fonctionnement plus efficace en eau de mer réelle, ce qui pose des défis supplémentaires par rapport aux électrolytes aqueux plus idéaux utilisés dans leurs études de laboratoire. Ils prévoient également de développer des conceptions modulaires qu'ils peuvent utiliser pour construire de plus grands, systèmes à grande échelle.

Esposito ajoute :« Il existe de nombreuses solutions technologiques possibles pour parvenir à un avenir énergétique durable, mais personne ne sait exactement quelle technologie spécifique ou quelle combinaison de technologies sera la meilleure à poursuivre. Nous sommes particulièrement enthousiasmés par le potentiel des technologies des combustibles solaires en raison de l'énorme quantité d'énergie solaire disponible. Notre défi est de trouver des technologies évolutives et économiques qui convertissent la lumière du soleil en une forme d'énergie utile qui peut également être stockée pendant les périodes où le soleil ne brille pas."

L'étude s'intitule « Electrolyseur PV sans membrane flottant basé sur la séparation des produits par flottabilité ».