该装置的电解槽组件基于简单的无膜设计，能够高效运行，产品纯度高，无需主动泵送电解质。
在一小时内，太阳照射到地球上的能量比人类一整年使用的能量还要多。想象一下，如果太阳的能量可以被用来满足地球上的能源需求，并且以一种经济、可扩展和对环境负责的方式完成。2022世界杯决赛竞猜长期以来，研究人员一直认为这是21世纪的重大挑战之一。
哥伦比亚大学工程学院化学工程助理教授丹尼尔·埃斯波西托(Daniel Esposito)一直在研究水电解——将水分解成氧(O2)和氢(H2)燃料——作为一种将太阳能光伏发电(pv)转化为可储存氢燃料的方法。
氢是一种清洁燃料，目前用于推动美国宇航局太空计划中的火箭，人们普遍预计它将在可持续能源的未来中发挥重要作用。目前，绝大多数氢气是通过蒸汽甲烷重整过程从天然气中产生的，该过程同时释放二氧化碳，但利用太阳能光伏发电的水电解提供了一种很有前途的途径，可以生产氢气，而不会产生任何相关的二氧化碳排放。
埃斯波西托的团队现在已经开发出一种新型的光伏动力电解装置，它可以作为一个独立的平台漂浮在开阔的水面上。他的浮动pv -电解槽可以被认为是一个“太阳能燃料钻机”，与深海石油钻井平台有一些相似之处，除了它将从阳光和水中产生氢燃料，而不是从海底提取石油。
研究人员2022世界杯决赛竞猜的关键创新是他们分离水电解产生的H2和O2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。
哥伦比亚工程公司的设备依靠一种新颖的电极结构，可以利用水中气泡的浮力分离和收集气体。
该设计使高效操作具有高产品纯度，无需主动泵送电解质。基于浮力诱导分离的概念，简单的电解槽结构产生的H2纯度高达99%。
Esposito的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，他说:“我们的pv -电解槽结构简单，没有膜或泵，这使得我们的设计在海水电解中的应用特别有吸引力，这要归功于与目前含有膜的设备相比，它具有低成本和更高耐久性的潜力。”
“我们相信我们的原型是一个实用的无膜浮动pv -电解槽系统的第一个演示，并且可以激发大规模的‘太阳能燃料钻机’，可以从充足的阳光和海水中产生大量的氢气燃料，而不占用陆地上的任何空间，也不会与农业用水的淡水竞争。”
商业电解槽装置依靠膜或分压器来分离装置内产生H2和O2气体的电极。大多数电解装置的研究都集2022世界杯决赛竞猜中在包含膜的装置上。这些膜和分离器容易降解和失效，需要高纯度的水源。海水中含有杂质和微生物，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，使我们离使海水电解成为可能又近了一步，”该论文的第一作者、与埃斯波西托一起工作的博士生杰克戴维斯说。
“这些太阳能燃料发电机本质上是人工光合作用系统，与植物的光合作用相同，所以我们的设备可能会为产生清洁的可再生能源开辟各种机会。”
对于埃斯波西托的pv电解槽的操作至关重要的是，一种新型的电极配置包括网状流动电极，该电极仅在一侧涂有催化剂。这些不对称的电极只在催化剂沉积的电极外表面促进气态H2和O2产物的演化。当不断增长的H2和O2气泡变得足够大时，它们的浮力使它们从电极表面分离，向上漂浮到单独的头顶收集室中。
该团队使用哥伦比亚洁净室将铂电催化剂沉积到网状电极和哥伦比亚创客空间的3d打印机上，以制造许多反应器组件。他们还使用高速摄像机监测H2和O2气泡在电极之间的传输，这一过程被称为“交叉”。电极之间的交叉是不可取的，因为它会降低产品纯度，导致安全问题，并需要下游分离装置，使该过程更加昂贵。
为了监测H2和O2交叉事件，研究人员在他们所有的电解设备中都安装了窗口，这样他们就可以在设备运行时从电极2022世界杯决赛竞猜上拍摄气泡演变的高速视频。这些视频通常以每秒500帧的速率拍摄(一部典型的iPhone以每秒30帧的速率拍摄视频)。
该团队正在改进他们的设计，以便在实际海水中更有效地运行，与实验室研究中使用的更理想的水性电解质相比，这带来了额外的挑战。他们还计划开发模块化设计，用于建造更大的、按比例扩展的系统。
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能源的未来，但没有人确切知道哪种具体技术或技术组合是最好的。我们对太阳能燃料技术的潜力尤其感到兴奋，因为我们可以获得大量的太阳能。我们面临的挑战是找到可扩展且经济的技术，将阳光转化为一种有用的能量形式，也可以在没有阳光的时候储存起来。”
来源:Solardaily
