Une méthode pour stocker l’énergie solaire consiste à utiliser des électrolyseurs PEC pour produire de l’hydrogène. Cependant, la mise à l’échelle de cette technologie reste un défi. Aujourd’hui, une équipe de l’Institut HZB pour les Carburants Solaires a utilisé l’imagerie de fluorescence 2D et la vélocimétrie par imagerie de particules pour observer le mouvement des ions et des gaz dissous dans l’électrolyte pendant l’électrolyse. Ces nouvelles perspectives pourraient s’avérer utiles pour le développement d’électrolyseurs PEC plus grands.
L’hydrogène vert joue un rôle majeur dans la réalisation d’un avenir neutre pour le climat. Une option pour produire de l’hydrogène vert implique des électrolyseurs photoélectrochimiques (PEC) avec des photoélectrodes spéciales pour exploiter l’énergie du soleil. Ces dernières années, les scientifiques ont déjà réalisé des améliorations significatives sur les photoélectrodes, qui peuvent même accélérer catalytiquement les réactions souhaitées – mais uniquement à l’échelle du laboratoire. Cependant, lors de la mise à l’échelle, l’efficacité chute considérablement. Cela est dû à divers facteurs, tels que les volumes plus importants permettant des flux convectifs et des gradients de pH, qui contribuent à la dégradation des matériaux d’électrode.
Analyse des processus de transport
« Pour passer à l’échelle supérieure, nous avons besoin d’une meilleure compréhension de la manière dont les ions et les gaz dissous se déplacent dans l’électrolyte au cours de ces processus. À cette fin, nous avons développé plusieurs techniques de visualisation au HZB pour cartographier ces processus, » explique le professeur Roel van de Krol.
Nouvelles découvertes surprenantes
Par imagerie de fluorescence 2D, il est possible de suivre les niveaux de pH locaux et leur évolution dans le temps ; la concentration d’oxygène dissous peut également être analysée par cette technique. Le mouvement des particules individuelles dans l’électrolyte peut être déterminé par vélocimétrie par imagerie de particules (PIV).
Les deux méthodes ont désormais fourni de nouvelles perspectives. Les expériences ont montré qu’un électrolyte s’écoulant continuellement dans une solution électrolytique à pH neutre ne suffit pas à empêcher la formation de grands gradients de pH. « Cela nous a surpris, » déclare van de Krol. « Pour éviter de tels gradients, nous avons également dû augmenter la concentration d’ions tampons. »
L’expérience reste la référence
De plus, les résultats expérimentaux ont montré que les grands gradients de pH ne se forment pas à la surface, mais dans le volume. C’était une découverte inattendue, car des simulations informatiques d’autres équipes avaient prédit que ces gradients se produiraient très près des surfaces. « Cela montre que les simulations informatiques ne sont pas (encore) capables de capturer véritablement toutes les relations physiques ; l’expérience reste la référence, » souligne van de Krol.
Perspectives sur la mise à l’échelle
Les travaux ont été menés par le Dr Feng Liang au HZB, qui a depuis pris un poste de professeur en Chine. Le co-auteur, le Dr Fatwa Abdi, a établi ce domaine de recherche au HZB et mène actuellement des recherches à la City University de Hong Kong.
Ces résultats sont précieux pour faire avancer la mise à l’échelle d’électrolyseurs PEC efficaces capables de produire de l’hydrogène vert à grande échelle.
Article : In situ measurement of mass transport in (photo)electrochemical water splitting at device scale – Journal : EES Solar – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Crédit : HZB
