Dalam satu jam, lebih banyak energi dari matahari menghampiri Bumi daripada semua energi yang digunakan manusia pada satu tahun penuh. Bayangkan jika energi matahari ini bisa dimanfaatkan untuk kebutuhan energi di Bumi, dan dilakukan dengan cara yang ekonomis, terukur, dan berwawasan lingkungan. Periset telah lama melihat ini sebagai salah satu tantangan besar abad ke-21.
Daniel Esposito, asisten profesor teknik kimia di Columbia Engineering, telah mempelajari elektrolisis air – pemecahan air menjadi bahan bakar oksigen (O2) dan hidrogen (H2) – sebagai cara untuk mengubah listrik dari solar photovoltaic (PV) atau tenaga matahari menjadi bahan bakar hidrogen yang stabil. Hidrogen adalah bahan bakar bersih yang saat ini digunakan untuk menggerakkan roket dalam program luar angkasa NASA dan secara luas diharapkan dapat memainkan peran penting pada masa depan energi yang berkelanjutan .
Sebagian besar hidrogen saat ini dihasilkan dari gas alam melalui proses yang disebut reformasi metana uap yang secara bersamaan melepaskan CO2, namun elektrolisis air yang menggunakan listrik dari PV surya menawarkan rute yang menjanjikan untuk menghasilkan H2 tanpa emisi CO2 yang terkait.
Tim Esposito kini telah mengembangkan perangkat elektrolisis bertenaga fotovoltaik baru yang dapat beroperasi sebagai platform yang berdiri sendiri yang mengapung di perairan terbuka. PV-electrolyzer mengambang Esposito dapat dianggap sebagai “rig bahan bakar matahari” yang memiliki kemiripan dengan rig minyak laut dalam, kecuali bahwa ia akan menghasilkan bahan bakar hidrogen dari sinar matahari dan air alih-alih mengeluarkan minyak dari bawah dasar laut. Studi ini, “Floating Membraneless PV-Electrolyzer Based on Buoyancy-Driven Product Separation,” diterbitkan oleh International Journal of Hydrogen Energy.
Desainnya memungkinkan operasi yang efisien dengan kemurnian produk tinggi dan tanpa memompa elektrolit secara aktif. Berdasarkan konsep pemisahan apung-induksi, arsitektur elektrolisis sederhana menghasilkan H2 dengan kemurnian hingga mencapai 99 persen.
“Kesederhanaan arsitektur PV-electrolyzer kami tanpa membran atau pompa membuat desain kami sangat menarik untuk diterapkan pada elektrolisis air laut, berkat potensinya untuk biaya rendah dan daya tahan lebih tinggi dibandingkan dengan perangkat saat ini yang mengandung membran,” kata Esposito, yang Solar Fuels Engineering Laboratory mengembangkan teknologi surya dan elektrokimia yang mengubah energi matahari yang terbarukan dan berlimpah menjadi bahan bakar kimia yang stabil.
“Kami percaya bahwa prototipe kami adalah demonstrasi pertama dari sistem pengeras silang PV tanpa membran praktis, dan dapat mengilhami ‘bahan bakar solar’ berskala besar yang dapat menghasilkan bahan bakar H2 dalam jumlah besar dari sinar matahari dan air laut yang melimpah tanpa menggunakan ruang pada tanah atau bersaing dengan air tawar untuk keperluan pertanian.”
Perangkat elektrolisis komersial bergantung pada membran, atau pembagi, untuk memisahkan elektroda dalam perangkat dari mana gas H2 dan O2 diproduksi. Sebagian besar penelitian untuk perangkat elektrolisis telah difokuskan pada perangkat yang menggabungkan membran. Membran dan pemisah ini rentan terhadap degradasi dan kegagalan dan membutuhkan sumber air dengan kemurnian tinggi. Air laut mengandung kotoran dan mikroorganisme yang dapat dengan mudah menghancurkan selaput ini.
“Dengan amannya mendemonstrasikan alat yang dapat melakukan elektrolisis tanpa membran membawa kami selangkah lebih dekat untuk membuat elektrolisis air laut menjadi kenyat,” kata Jack Davis, penulis pertama kertas dan seorang mahasiswa PhD yang bekerja dengan Esposito. “Generator bahan bakar matahari ini pada dasarnya adalah sistem fotosintesis buatan, melakukan hal yang sama dengan tanaman dengan fotosintesis, jadi perangkat kami dapat membuka semua jenis peluang untuk menghasilkan energi bersih dan terbarukan.”
Penting untuk pengoperasian elektrolisis PV Esposito adalah konfigurasi elektroda baru yang terdiri dari elektroda aliran mesh yang dilapisi dengan katalis hanya di satu sisi. Elektroda asimetris ini mendorong evolusi produk H2 dan O2 gas hanya pada permukaan luar elektroda dimana katalis telah diendapkan. Ketika gelembung H2 dan O2 yang tumbuh menjadi cukup besar, daya apung mereka menyebabkan mereka melepaskan diri dari permukaan elektroda dan melayang ke atas ke dalam ruang koleksi overhead yang terpisah.
Tim menggunakan Columbia Clean Room untuk menyetorkan platinum elektrokatalis ke elektroda jala dan printer 3D di Columbia Makerspace untuk memperbanyak komponen reaktor. Mereka juga menggunakan kamera video berkecepatan tinggi untuk memantau pengangkutan gelembung H2 dan O2 di antara elektroda, sebuah proses yang dikenal sebagai “crossover”. Crossover antara elektroda tidak diinginkan karena menurunkan kemurnian produk, yang menyebabkan masalah keamanan dan kebutuhan unit pemisahan hilir yang membuat proses lebih mahal.
Studi ini berjudul “Floating Membraneless PV-Electrolyzer Based on Buoyancy-Driven Product Separation”
