Equipe israelense desenvolve PEC de água dissociada

Pesquisadores em Israel projetaram um sistema fotoeletroquímico (PEC) de divisão de água de células separadas com células desacopladas de hidrogênio e oxigênio para produção centralizada de hidrogênio. Um artigo descrevendo seu sistema foi publicado na revista Joule.

Sistemas de divisão de água alimentados por energia fotovoltaica (eletrólise fotovoltaica) que combinam tecnologias fotovoltaicas e de eletrólise de água disponíveis comercialmente já foram demonstrados em várias plantas piloto e estações de reabastecimento de hidrogênio. A maior eficiência de conversão solar em hidrogênio (STH) relatada para tal sistema composto por eletrolisadores de membrana eletrolítica polimérica (PEM) alimentados por uma célula solar de junção tripla InGaP / GaAs / GaInNAsSb foi de 30%, testada ao longo de 48 h. Apesar da alta eficiência, a complexidade e o custo do dispositivo tornam impraticável seu potencial de upscale. Os sistemas de eletrólise fotovoltaica compreendendo módulos fotovoltaicos convencionais de Si e eletrolisadores alcalinos normalmente alcançam uma eficiência de STH inferior a 10%.

Inspirada na fotossíntese natural, a divisão fotoeletroquímica (PEC) da água, que combina a coleta de luz e a conversão eletroquímica de energia elétrica em energia química armazenada em ligações de hidrogênio, em que ambas as funções são realizadas simultaneamente na interface sólido/líquido entre um fotoeletrodo semicondutor e a água, visa fornecer uma solução competitiva para conversão e armazenamento de energia solar.

… O presente trabalho complementa nosso estudo anterior, no qual a ideia conceitual de separação de células foi proposta e demonstrada em uma configuração puramente eletrolítica, demonstrando um dispositivo PEC-PV em tandem de células separadas em escala de bancada para divisão fotoeletroquímica de água desacoplada em oxigênio e hidrogênio separados células. Ele aborda os desafios de projetar, construir e otimizar o dispositivo para avaliar a geração de hidrogênio em grande escala.

A célula de oxigênio contém dois fotoanodos de hematita de 100 cm2 consecutivos, colocados em conjunto com minimódulos de Si PV que fornecem a polarização necessária para conduzir a divisão da água solar sem assistência. A célula de hidrogênio contém o cátodo e está fisicamente separada da célula de oxigênio. Eletrodos de hidróxido de níquel para bateria são colocados em ambas as células para mediar a troca iônica (OH–) entre o cátodo e o ânodo. A operação bem-sucedida deste sistema protótipo também foi demonstrada em condições externas com luz solar natural.

Em suma, o sistema desacoplado aborda um dos maiores desafios na separação de água PEC em grande escala: a recolha de gás hidrogénio de milhões de células PEC distribuídas no campo solar.

Ilustração conceitual de uma estação de reabastecimento solar de hidrogênio com células solares PEC distribuídas produzindo oxigênio e um gerador de hidrogênio centralizado. Landman et al.

A troca iônica entre o cátodo e o ânodo no novo sistema é mediada por eletrodos auxiliares de (oxi)hidróxido de níquel, permitindo assim a separação física das duas células.

Arquiteturas de células fotoeletroquímicas de divisão de água. (A) Configuração convencional de célula única de uma célula PEC compreendendo uma pilha e cátodo em tandem fotoanodo-PV, separados por uma membrana ou diafragma. (B) Configuração de células separadas para divisão de água PEC desacoplada com uma célula PEC-PV em tandem produtora de oxigênio e uma célula eletrolítica produtora de hidrogênio conectadas entre si eletricamente. Landman et al.

A célula de oxigênio compreende uma pilha em tandem PEC-PV de fotoanodos de hematita conectados em série a um minimódulo fotovoltaico de silício (PV), enquanto a célula de hidrogênio é uma célula eletrolítica com um cátodo de malha de titânio platinado.

O sistema utiliza fotoanodos de hematita (a-Fe2O3) de 100 cm2 e eletrodos de hidróxido de níquel (Ni(OH)2)/oxihidróxido(NiOOH) como mediadores redox.

As condições de operação dos componentes do sistema e sua configuração foram otimizadas para ciclos diários, e dez ciclos de 8,3 horas foram realizados sob iluminação solar simulada sem polarização adicional a uma corrente média de curto-circuito de 55,2 mA.

Os resultados, disseram os pesquisadores, demonstram a operação bem-sucedida de um sistema de separação de água PEC desacoplado com células separadas de hidrogênio e oxigênio.