23.11.2020 - Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Hidrógeno verde: convección impulsada por la flotabilidad en el electrolito

Por primera vez se investigó cómo se comporta el electrolito líquido en toda la célula durante la electrólisis

El hidrógeno producido mediante el uso de la energía solar podría contribuir a un sistema de energía climáticamente neutro del futuro. Pero hay obstáculos en el camino desde la escala de laboratorio hasta la implementación a gran escala. Un equipo del HZB ha presentado ahora un método para visualizar la convección en el electrolito y para simularla de forma fiable de antemano con un modelo multifísico. Los resultados pueden apoyar el diseño y la ampliación de esta tecnología y han sido publicados en la revista Energy and Environmental Science.

El hidrógeno puede ser producido con energías renovables de una forma climáticamente neutra y podría hacer una importante contribución al sistema energético del futuro. Una de las opciones es utilizar la luz solar para la separación electrolítica del agua, ya sea indirectamente acoplando una célula solar con un electrolizador o directamente en una célula fotoelectroquímica (PEC). Los semiconductores que absorben la luz sirven como fotoelectrodos. Se sumergen en una solución electrolítica de agua mezclada con ácidos o bases fuertes, que contiene una alta concentración de protones o iones de hidróxido necesarios para una electrólisis eficiente.

Seguridad frente a eficiencia

Sin embargo, en una planta a gran escala, tendría sentido, por razones de seguridad, utilizar una solución electrolítica con un pH casi neutro. Tal solución tiene una baja concentración de protones e iones de hidróxido, lo que lleva a limitaciones en el transporte de masa y a un pobre rendimiento. La comprensión de estas limitaciones es esencial para diseñar un dispositivo de separación de agua PEC seguro y escalable.

Convección observada

Un equipo dirigido por la Dra. Fatwa Abdi del Instituto HZB para Combustibles Solares ha investigado por primera vez cómo se comporta el electrolito líquido en toda la célula durante la electrólisis: Con la ayuda de láminas fluorescentes con sensor de pH, el Dr. Keisuke Obata, un postdoctorado del equipo de Abdi, determinó el valor de pH local en las células PEC entre el ánodo y el cátodo durante el curso de la electrólisis. Las células PEC estaban llenas de electrolitos de pH casi neutros. Los científicos visualizaron experimentalmente la disminución del pH en las regiones cercanas al ánodo y el aumento del pH en las regiones cercanas al cátodo. Curiosamente, observaron un movimiento del electrolito en sentido horario a medida que la electrólisis avanzaba. La observación puede explicarse por la flotabilidad debida a los cambios de densidad del electrolito durante la reacción electroquímica que lleva a la convección. "Fue sorprendente ver que pequeños cambios en la densidad del electrolito (~0,1%) causan este efecto de flotabilidad", dice Abdi.

El modelo permite la simulación

Paralelamente, Abdi y su equipo desarrollaron un modelo multifísico para calcular la convección inducida por las reacciones electroquímicas. "Hemos probado a fondo este modelo y podemos proporcionar ahora una poderosa herramienta para simular la convección natural en una celda electroquímica con varios electrolitos por adelantado", dice Abdi.

HEMF y UniSysCat

Para el proyecto, Abdi ha construido una "Instalación de Dispositivos de Combustible Solar" en el HZB, que forma parte de la Fundición de Materiales Energéticos de Helmholtz (HEMF), una gran infraestructura abierta también a otros científicos. Este estudio también se realizó en colaboración con la Universidad Técnica de Berlín, en el marco del grupo de excelencia UniSysCat.

"Con este trabajo estamos expandiendo nuestra experiencia en ciencia de materiales con esfuerzos en la ingeniería de reactores fotoelectroquímicos, que es un paso siguiente esencial para la ampliación de los dispositivos de combustible solar" dice el Prof. Dr. Roel van de Krol, que dirige el Instituto HZB para Combustibles Solares.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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