L'hydrogène produit en utilisant l'énergie solaire pourrait contribuer à un système énergétique climatiquement neutre du futur. Mais il y a des obstacles sur le chemin de l'échelle du laboratoire à la mise en œuvre à grande échelle. Une équipe du HZB a maintenant présenté une méthode pour visualiser la convection dans l'électrolyte et la simuler à l'avance de manière fiable avec un modèle multiphysique. Les résultats peuvent soutenir la conception et la mise à l'échelle de cette technologie et ont été publiés dans la célèbre revue Sciences de l'énergie et de l'environnement .

L'hydrogène peut être produit avec des énergies renouvelables de manière neutre pour le climat et pourrait apporter une contribution majeure au système énergétique du futur. L'une des options consiste à utiliser la lumière du soleil pour le fractionnement électrolytique de l'eau, soit indirectement en couplant une cellule solaire avec un électrolyseur, soit directement dans une cellule photoélectrochimique (PEC). Les semi-conducteurs absorbant la lumière servent de photoélectrodes. Ils sont immergés dans une solution électrolytique d'eau mélangée à des acides ou des bases fortes, qui contient une concentration élevée de protons ou d'ions hydroxyde nécessaires à une électrolyse efficace.

Cependant, dans une usine à grande échelle, il serait logique pour des raisons de sécurité d'utiliser une solution d'électrolyte avec un pH presque neutre. Une telle solution a une faible concentration en protons et en ions hydroxyde, ce qui conduit à des limitations de transport de masse et à de mauvaises performances. Comprendre ces limitations est essentiel pour concevoir un dispositif de séparation d'eau PEC sûr et évolutif.

Une équipe dirigée par le Dr Fatwa Abdi de l'Institut HZB pour les combustibles solaires a maintenant pour la première fois étudié comment l'électrolyte liquide dans toute la cellule se comporte pendant l'électrolyse :à l'aide de feuilles de capteur de pH fluorescentes, Dr Keisuke Obata, un post-doctorant dans l'équipe d'Abdi, déterminé la valeur du pH local dans les cellules PEC entre l'anode et la cathode au cours de l'électrolyse. Les cellules PEC étaient remplies d'électrolytes à pH quasi neutre.

Les scientifiques ont visualisé expérimentalement la diminution du pH dans les régions proches de l'anode et l'augmentation du pH dans les régions proches de la cathode. De façon intéressante, ils ont observé un mouvement dans le sens des aiguilles d'une montre de l'électrolyte au fur et à mesure que l'électrolyse se déroule. L'observation peut s'expliquer par la flottabilité due aux changements de densité d'électrolyte au cours de la réaction électrochimique qui conduit à la convection. "Il était surprenant de voir que de minuscules changements de densité d'électrolyte (~ 0,1%) provoquent cet effet de flottabilité, " dit Abdi.

En parallèle, Abdi et son équipe ont développé un modèle multiphysique pour calculer la convection induite par les réactions électrochimiques. "Nous avons testé ce modèle de manière approfondie et pouvons désormais fournir un outil puissant pour simuler à l'avance la convection naturelle dans une cellule électrochimique avec divers électrolytes, " dit Abdi.

Pour le projet, Abdi a construit une "Installation de dispositifs à combustible solaire" à HZB, qui fait partie de la Helmholtz Energy Materials Foundry (HEMF), une grande infrastructure ouverte également à d'autres scientifiques. Cette étude a également été réalisée en collaboration avec TU Berlin, dans le cadre du pôle d'excellence UniSysCat.

"Avec ce travail, nous élargissons notre expertise en science des matériaux avec des efforts sur l'ingénierie des réacteurs photoélectrochimiques, ce qui est une prochaine étape essentielle pour la mise à l'échelle des dispositifs à combustible solaire ", déclare le professeur Roel van de Krol, qui dirige l'Institut HZB pour les combustibles solaires.