Photovoltaic-assisted H2 generatiON (PH2ON)

Utviklingen av katalysatormaterialer og nye enhetsdesign for vannelektrolyse er avgjørende for å øke andelen av grønn hydrogenproduksjon ved bruk av fornybare energikilder. I PH2ON har vi utviklet en plattformteknologi for syntese av avanserte katalysatormaterialer med forbedret effektivitet og katalytisk allsidighet. PH2ON-katalysatorene ble integrert i nye monolitiske, enkle å montere og transportere elektrolyseenheter som muliggjorde vannelektrolyse med høy effektivitet og med solenergi som eneste energitilførsel. Vi viste en sol-til-hydrogen (STH) effektivitet på 6,6% med en stabil drift under sterkt korrosive forhold, som alkalisk elektrolyse, i 71 timer. Denne ytelsen er blant de høyeste som noen gang er registrert for denne typen fotoelektrolyseenheter, og ved videreutvikling av katalysatorene våre nådde vi en imponerende STH på 10 %, som er minimumseffektiviteten som kreves for kommersialisering og oppskalering på industrielle nivåer. Ytterligere studier bør fokusere på å forbedre stabiliteten og levetiden til disse enhetene og materialene samt deres oppskalering i form av modulære celler, slik tilfellet er i solceller og PV-industrien. Fotoelektrolyse av vann og grønn hydrogenproduksjon er en lovende måte å lagre solenergi i form av kjemisk energi og bruke den når solen ikke skinner. Ikke minst har studier og store industrielle prosjekter for oppskalering av alkalisk vannelektrolyse vist at vannelektrolysatorer kan «dø av tørst» ettersom deres geografiske plassering vanligvis konkurrerer med lokale ferskvannsforsyninger. I PH2ON tok vi tak i denne utfordringen, og vi har overført det monolittiske designet fra væske- til gassfase for fotoelektrolyse av vanndamp, dvs. direkte hydrogenproduksjon ved fuktighet i luften. Det er 13 billioner tonn vann i gassfasen i likevekt med væskefasen, overalt og når som helst. Gassfase-fotoelektrolysesystemet utviklet i PH2ON kan lage drivstoff fra tynn luft og kan gi en løsning når ferskvannsforsyninger konkurrerer med behovene til lokalbefolkningen og til vanningsformål, samt for produksjon av ren energi i tørre eller avsidesliggende regioner. Områder med høy sollysaktivitet har vanligvis begrenset vannforsyning på grunn av tørke, derfor utgjør PH2ON teknologien en lovende løsning for lokalisert og direkte energiproduksjon, og konkurrerer ikke med ferskvannsforsyninger.

The impact of the activities developed in PH2ON is multifold. First, we developed a platform technology for the synthesis of advanced catalytic materials for applications in photo-electrochemical energy conversion. These materials can be tailor-made with minimal engineering requirements and their application have the potential to extend beyond water photoelectrolysis, which was the main objective in PH2ON. We envision that applications include plasmonic photocatalysis and sensing, CO2 reduction to important platform or specialty chemicals, N2 fixation and NH3 synthesis, organic electrosynthesis for the production of stereoselective organic molecules and electrochemical energy storage. Second, PH2ON developed a monolithic PV-driven photoelectrochemical (PEC) device, which can electrolyze water to produce pure oxygen and hydrogen gasses with sunlight as the only energy input. In this way, we address the intermittent nature of solar energy, which can be stored in chemical energy and be used on demand. The device assembly is based on minimal engineering requirements and moreover, it is comprised mainly of earth-abundant elements, factors that increase its potential for upscaling. The solar-to-hydrogen (STH) efficiency of 6.6% and the operating stability over 71 h of continuous illumination set a benchmark performance for such systems of water photoelectrolysis. Third, and as freshwater supplies for such water electrolysis systems will soon compete with water needed for drinking and irrigation purposes for the local communities, we have transferred the applicability of the PH2ON device to the gas phase for water vapor photoelectrolysis and direct hydrogen gas production. This means that we have enabled the production of fuels from thin air. The impact of our novel water vapor photoelectrolysis system can be enormous, as we can produce fuels in arid or semi-arid regions, areas with no grid infrastructure and from diverse water sources (e.g. wastewaters, rain water). There are approx. 13 trillion tons of water in the gas phase in a dynamic equilibrium with its liquid phase, everywhere and always. Therefore, water vapor is really an inexhaustible source of water for on-site production of green hydrogen. The developments in PH2ON can spark and spearhead such a technological revolution.

Solar-driven water splitting could provide an energy dense fuel for grid-scale energy storage, but also as a feedstock for the production of carbon-neutral transportation fuels. PH2ON develops a monolithically integrated solar cell-assisted photoelectrochemical (PEC) water splitting and hydrogen production membrane. In this system, a Si-based solar cell is placed in tandem with a water splitting photocatalyst, building up the necessary photovoltage for wireless, unassisted water splitting and hydrogen production. The project combines complementary expertise in fuel cells (University of Oslo - UiO) and solar energy (Institute for Energy Technology - IFE) and evolves the planar design into a porous one, based on a porous Si solar cell. The porous PV-assisted PEC cell is used to electrolyze water vapor and it can also be installed in rural areas and areas with limited electrical grid or infrastructure. PH2ON is a system of artificial photosynthesis, which can become the basis for the development of novel materials and sustainable, carbon-neutral technologies in Norway’s future energy sector. PH2ON is supported by leading international groups in the field of electrochemistry and solar fuels. The project is coordinated by an early stage researcher and it runs for 3 years, with the ambition to establish a group of scientific excellence in the intersect of photoelectrochemical and photovoltaic technologies.