Un nouveau système innovant peut transformer l'eau de mer en carburant

Mar 14, 2023

Par SLAC National Accelerator Laboratory30 mai 2023

Une représentation du système de membrane bipolaire de l'équipe qui convertit l'eau de mer en hydrogène gazeux. Crédit : Nina Fujikawa/Laboratoire national des accélérateurs SLAC

Le cocktail d'éléments dans l'eau de mer, y compris l'hydrogène, l'oxygène, le sodium et autres, est essentiel à la vie sur Terre. Cependant, cette composition chimique complexe pose un défi lorsque l'on tente de séparer l'hydrogène gazeux pour des applications énergétiques durables.

Récemment, une équipe de scientifiques du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l'énergie, de l'Université de Stanford, de l'Université de l'Oregon et de l'Université métropolitaine de Manchester a découvert une méthode pour extraire l'hydrogène de l'océan. Ils accomplissent cela en canalisant l'eau de mer à travers un système à double membrane et de l'électricité.

Leur conception innovante s'est avérée efficace pour générer de l'hydrogène gazeux sans produire de grandes quantités de sous-produits nocifs. Les résultats de leur étude, récemment publiés dans la revue Joule, pourraient aider à faire avancer les efforts pour produire des carburants à faible émission de carbone.

"De nombreux systèmes eau-hydrogène essaient aujourd'hui d'utiliser une membrane monocouche ou monocouche. Notre étude a réuni deux couches", a déclaré Adam Nielander, chercheur associé au SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, un SLAC-Stanford. institut commun. "Ces architectures membranaires nous ont permis de contrôler la façon dont les ions de l'eau de mer se déplaçaient dans notre expérience."

L'hydrogène gazeux est un carburant à faible teneur en carbone actuellement utilisé de nombreuses façons, par exemple pour faire fonctionner des véhicules électriques à pile à combustible et comme option de stockage d'énergie de longue durée - une option adaptée pour stocker de l'énergie pendant des semaines, des mois ou plus - pour l'électricité. grilles.

De nombreuses tentatives pour faire démarrer l'hydrogène gazeux avec de l'eau douce ou dessalée, mais ces méthodes peuvent être coûteuses et énergivores. L'eau traitée est plus facile à utiliser car elle contient moins de substances - éléments chimiques ou molécules - qui flottent. Cependant, la purification de l'eau coûte cher, nécessite de l'énergie et ajoute de la complexité aux appareils, ont déclaré les chercheurs. Une autre option, l'eau douce naturelle, contient également un certain nombre d'impuretés qui sont problématiques pour la technologie moderne, en plus d'être une ressource plus limitée sur la planète, ont-ils déclaré.

Pour travailler avec l'eau de mer, l'équipe a mis en place un système de membrane bipolaire ou à deux couches et l'a testé en utilisant l'électrolyse, une méthode qui utilise l'électricité pour entraîner des ions, ou des éléments chargés, afin d'exécuter une réaction souhaitée. Ils ont commencé leur conception en contrôlant l'élément le plus nocif pour le système d'eau de mer - le chlorure, a déclaré Joseph Perryman, chercheur postdoctoral au SLAC et à Stanford.

"There are many reactive speciesA species is a group of living organisms that share a set of common characteristics and are able to breed and produce fertile offspring. The concept of a species is important in biology as it is used to classify and organize the diversity of life. There are different ways to define a species, but the most widely accepted one is the biological species concept, which defines a species as a group of organisms that can interbreed and produce viable offspring in nature. This definition is widely used in evolutionary biology and ecology to identify and classify living organisms." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">espèces dans l'eau de mer qui peuvent interférer avec la réaction eau-hydrogène, et le chlorure de sodium qui rend l'eau de mer salée est l'un des principaux coupables », a déclaré Perryman. « En particulier, le chlorure qui atteint l'anode et s'oxyde réduira la durée de vie d'un système d'électrolyse et peut en fait devenir dangereux en raison de la nature toxique des produits d'oxydation qui comprennent le chlore moléculaire et l'eau de Javel. »

La membrane bipolaire de l'expérience permet d'accéder aux conditions nécessaires pour fabriquer de l'hydrogène gazeux et empêche le chlorure d'atteindre le centre de réaction.

"Nous doublons essentiellement les moyens d'arrêter cette réaction de chlorure", a déclaré Perryman.

Le système de membrane idéal remplirait trois fonctions principales : séparer les gaz hydrogène et oxygène de l'eau de mer ; aider à déplacer uniquement les ions hydrogène et hydroxyde utiles tout en limitant les autres ions d'eau de mer ; et aider à prévenir les réactions indésirables. Il est difficile de saisir ces trois éléments ensemble, et les recherches de l'équipe visent à explorer des systèmes capables de combiner efficacement ces trois besoins.

Plus précisément, dans leur expérience, les protons, qui étaient les ions hydrogène positifs, traversent l'une des couches de la membrane jusqu'à un endroit où ils peuvent être collectés et transformés en hydrogène gazeux en interagissant avec une électrode chargée négativement. La deuxième membrane du système ne laisse passer que les ions négatifs, tels que le chlorure.

En tant que filet de sécurité supplémentaire, une couche de membrane contient des groupes chargés négativement qui sont fixés à la membrane, ce qui rend plus difficile pour d'autres ions chargés négativement, comme le chlorure, de se déplacer vers des endroits où ils ne devraient pas être, a déclaré Daniela Marin, diplômée de Stanford. étudiant en génie chimique et co-auteur. La membrane chargée négativement s'est avérée très efficace pour bloquer presque tous les ions chlorure dans les expériences de l'équipe, et leur système a fonctionné sans générer de sous-produits toxiques comme l'eau de Javel et le chlore.

En plus de concevoir un système de membrane eau de mer-hydrogène, l'étude fournit également une meilleure compréhension générale de la façon dont les ions d'eau de mer se déplacent à travers les membranes, ont déclaré les chercheurs. Ces connaissances peuvent également aider les scientifiques à concevoir des membranes plus solides pour d'autres applications, telles que la production d'oxygène gazeux.

"Il existe également un certain intérêt à utiliser l'électrolyse pour produire de l'oxygène", a déclaré Marin. "La compréhension du flux et de la conversion des ions dans notre système de membrane bipolaire est également essentielle pour cet effort. Parallèlement à la production d'hydrogène dans notre expérience, nous avons également montré comment utiliser la membrane bipolaire pour générer de l'oxygène gazeux."

Ensuite, l'équipe prévoit d'améliorer leurs électrodes et membranes en les construisant avec des matériaux plus abondants et plus facilement exploitables. Cette amélioration de la conception pourrait rendre le système d'électrolyse plus facile à adapter à une taille nécessaire pour générer de l'hydrogène pour des activités à forte intensité énergétique, comme le secteur des transports, a déclaré l'équipe.

Les chercheurs espèrent également amener leurs cellules d'électrolyse à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) du SLAC, où ils pourront étudier la structure atomique des catalyseurs et des membranes à l'aide des rayons X intenses de l'installation.

"L'avenir est prometteur pour les technologies de l'hydrogène vert", a déclaré Thomas Jaramillo, professeur au SLAC et à Stanford et directeur de SUNCAT. "Les connaissances fondamentales que nous obtenons sont essentielles pour éclairer les innovations futures afin d'améliorer les performances, la durabilité et l'évolutivité de cette technologie."

Référence : "Production d'hydrogène avec des électrolyseurs à membrane bipolaire résistants à l'eau de mer" par Daniela H. Marin, Joseph T. Perryman, McKenzie A. Hubert, Grace A. Lindquist, Lihaokun Chen, Ashton M. Aleman, Gaurav A. Kamat, Valerie A. Niemann, Michaela Burke Stevens, Yagya N. Regmi, Shannon W. Boettcher, Adam C. Nielander et Thomas F. Jaramillo, 11 avril 2023, Joule.DOI : 10.1016/j.joule.2023.03.005

Ce projet est soutenu par l'Office of Naval Research des États-Unis ; l'accélérateur de la Stanford Doerr School of Sustainability ; le Bureau des sciences énergétiques fondamentales, la division des sciences chimiques, des géosciences et des biosciences du DOE par l'intermédiaire du Centre SUNCAT pour la science des interfaces et la catalyse, un institut conjoint SLAC-Stanford ; et le Bureau des technologies des piles à combustible pour l'efficacité énergétique et les énergies renouvelables du DOE.