在一个小时内，太阳照射到地球的能量要比人类全年消耗的所有能量更多。想象一下，是否可以利用太阳的能量来满足地球上的能源需求，并且以经济，可扩展且对环境负责的方式进行。长期以来，研究人员一直将其视为21世纪的重大挑战之一。
哥伦比亚工程学院化学工程助理教授丹尼尔·埃斯波西托(Daniel Esposito)一直在研究水电解—将水分解为氧气(O 2)和氢气(H 2)燃料—作为将太阳能光伏(PVs)的电能转化为可存储的方法氢燃料。氢是一种清洁燃料，目前已被用于在NASA的太空计划中推动火箭飞行，人们普遍认为氢在可持续能源的未来中将发挥重要作用。如今，绝大多数氢气都是通过称为“甲烷蒸汽重整”的过程从天然气中产生的，该过程同时释放CO 2，但是利用太阳能PV发电的水电解提供了一种有希望的途径来生产H 2而无任何相关的CO 2 排放。
Esposito的团队现已开发出一种新型的光伏供电的电解装置，该装置可以作为漂浮在开放水域上的独立平台运行。他的浮动式PV电解槽可以被认为是“太阳能燃料钻机”，与深海石油钻机有些相似，不同之处在于它可以从阳光和水中产生氢燃料，而不是从海底以下提取石油。
研究人员的关键创新是分离水电解产生的H 2和O 2气体的方法。最先进的电解器使用昂贵的膜来维持这两种气体的分离。哥伦比亚工程公司的设备取而代之的是一种新颖的电极结构，该结构允许使用水中的气泡来分离和收集气体。该设计可实现高纯度产品的高效运行，而无需主动泵送电解液。基于浮力诱导分离的概念，简单的电解槽结构可产生纯度高达99%的H 2。
Esposito表示：“我们的PV电解槽结构的简单性-没有膜或泵-使我们的设计对于在海水电解中的应用特别有吸引力，这是因为与现有的含膜装置相比，它具有低成本和更高的耐用性，”其太阳能工程实验室开发了太阳能和电化学技术，将可再生和丰富的太阳能转化为可存储的化学燃料。“我们相信，我们的原型是首次展示实用的无膜浮动式PV电解槽系统，并且可以激发大规模的'太阳能燃料装置'，这些装置可以从充足的阳光和海水中产生大量的H 2燃料，而无需占用任何空间在陆地上或与淡水竞争用于农业用途。”
商用电解装置依靠膜或分隔器将装置内的电极分开，从中产生H 2和O 2气体。电解装置的大多数研究都集中在结合膜的装置上。这些膜和分隔物易于降解和失效，并且需要高纯度的水源。海水中含有杂质和微生物，很容易破坏这些膜。
该论文的第一作者，与Esposito一起工作的博士生Jack Davis说：“能够安全地演示无需膜的电解装置，这使我们更进一步地使海水电解成为可能。” “这些太阳能发电机本质上是人工光合作用系统，其作用与植物通过光合作用所做的相同，因此我们的设备可能为产生清洁可再生能源开辟各种机会。”
Esposito的PV电解槽的运行至关重要的是一种新颖的电极配置，其包括网状流通电极，仅在一侧涂有催化剂。这些不对称电极仅在沉积催化剂的电极的外表面上促进气态H 2和O 2产物的逸出。当增长的H 2和O 2气泡变得足够大时，它们的浮力使它们从电极表面脱离并向上漂浮到单独的顶部收集室中。
该团队使用Columbia Clean Room将铂电催化剂沉积到网状电极上，并在Columbia Makerspace中使用3D打印机制造许多反应堆组件。他们还使用高速摄像机监视电极之间H 2和O 2气泡的传输，此过程称为“交叉”。电极之间的交叉是不希望的，因为它降低了产品的纯度，从而导致安全隐患以及对下游分离单元的需求，使得该过程更加昂贵。
为了监视H 2和O 2的交换事件，研究人员在所有电解装置中都装有窗口，以便在装置运行时可以拍摄到电极上气泡逸出的高速视频。这些视频通常以每秒500帧的速度拍摄(典型的iPhone以每秒30帧的速度拍摄视频)。
该团队正在改进其设计，以便在实际海水中更有效地运行，与实验室研究中使用的更理想的水性电解质相比，这带来了更多挑战。他们还计划开发模块化设计，以用于构建更大的规模化系统。
Esposito补充说：“有许多可能的技术解决方案来实现可持续的能源未来，但没有人确切知道哪种特定技术或技术组合将是最佳选择。我们对太阳能技术的潜力感到特别兴奋，因为其巨大的潜力我们面临的挑战是找到可扩展且经济的技术，将日光转换为有用的能量形式，这些能量也可以在太阳不发光时被存储。”