Identifying and building a sustainable energy system are perhaps two of the most critical issues that today's society must address. Replacing our current energy carrier mix with a sustainable fuel is one of the key pieces in that system. Hydrogen as an energy carrier, primarily derived from water, can address issues of sustainability, environmental emissions, and energy security. Issues relating to hydrogen production pathways are addressed here. Future energy systems require money and energy to build. Given that the United States has a finite supply of both, hard decisions must be made about the path forward, and this path must be followed with a sustained and focused effort.

Direct water electrolysis was achieved with a novel, integrated, monolithic photoelectrochemical-photovoltaic design. This photoelectrochemical cell, which is voltage biased with an integrated photovoltaic device, splits water directly upon illumination; light is the only energy input. The hydrogen production efficiency of this system, based on the short-circuit current and the lower heating value of hydrogen, is 12.4 percent.

The ability of renewable resources to provide all of society's energy needs is shown by using the United States as an example. Various renewable systems are presented, and the issues of energy payback, carbon dioxide abatement, and energy storage are addressed. Pathways for renewable hydrogen generation are shown, and the implementation of hydrogen technologies into the energy infrastructure is presented. The question is asked, Should money and energy be spent on carbon dioxide sequestration, or should renewable resources be implemented instead.

International Journal of Energy ResearchVolume 32, Issue 5 p. 379-407 Research Article Renewable hydrogen production John Turner, John Turner National Renewable Energy Laboratory, 1617 Cole Boulevard, Golden, CO 80401-3393, U.S.A.Search for more papers by this authorGeorge Sverdrup, Corresponding Author George Sverdrup [email protected] National Renewable Energy Laboratory, 1617 Cole Boulevard, Golden, CO 80401-3393, U.S.A.National Renewable Energy Laboratory, 1617 Cole Boulevard, Golden, CO 80401-3393, U.S.A.Search for more papers by this authorMargaret K. Mann, Margaret K. Mann National Renewable Energy Laboratory, 1617 Cole Boulevard, Golden, CO 80401-3393, U.S.A.Search for more papers by this authorPin-Ching Maness, Pin-Ching Maness National Renewable Energy Laboratory, 1617 Cole Boulevard, Golden, CO 80401-3393, U.S.A.Search for more papers by this authorBen Kroposki, Ben Kroposki National Renewable Energy Laboratory, 1617 Cole Boulevard, Golden, CO 80401-3393, U.S.A.Search for more papers by this authorMaria Ghirardi, Maria Ghirardi National Renewable Energy Laboratory, 1617 Cole Boulevard, Golden, CO 80401-3393, U.S.A.Search for more papers by this authorRobert J. Evans, Robert J. Evans National Renewable Energy Laboratory, 1617 Cole Boulevard, Golden, CO 80401-3393, U.S.A.Search for more papers by this authorDan Blake, Dan Blake National Renewable Energy Laboratory, 1617 Cole Boulevard, Golden, CO 80401-3393, U.S.A.Search for more papers by this author John Turner, John Turner National Renewable Energy Laboratory, 1617 Cole Boulevard, Golden, CO 80401-3393, U.S.A.Search for more papers by this authorGeorge Sverdrup, Corresponding Author George Sverdrup [email protected] National Renewable Energy Laboratory, 1617 Cole Boulevard, Golden, CO 80401-3393, U.S.A.National Renewable Energy Laboratory, 1617 Cole Boulevard, Golden, CO 80401-3393, U.S.A.Search for more papers by this authorMargaret K. Mann, Margaret K. Mann National Renewable Energy Laboratory, 1617 Cole Boulevard, Golden, CO 80401-3393, U.S.A.Search for more papers by this authorPin-Ching Maness, Pin-Ching Maness National Renewable Energy Laboratory, 1617 Cole Boulevard, Golden, CO 80401-3393, U.S.A.Search for more papers by this authorBen Kroposki, Ben Kroposki National Renewable Energy Laboratory, 1617 Cole Boulevard, Golden, CO 80401-3393, U.S.A.Search for more papers by this authorMaria Ghirardi, Maria Ghirardi National Renewable Energy Laboratory, 1617 Cole Boulevard, Golden, CO 80401-3393, U.S.A.Search for more papers by this authorRobert J. Evans, Robert J. Evans National Renewable Energy Laboratory, 1617 Cole Boulevard, Golden, CO 80401-3393, U.S.A.Search for more papers by this authorDan Blake, Dan Blake National Renewable Energy Laboratory, 1617 Cole Boulevard, Golden, CO 80401-3393, U.S.A.Search for more papers by this author First published: 27 November 2007 https://doi.org/10.1002/er.1372Citations: 724AboutPDF ToolsRequest permissionExport citationAdd to favoritesTrack citation ShareShare Give accessShare full text accessShare full-text accessPlease review our Terms and Conditions of Use and check box below to share full-text version of article.I have read and accept the Wiley Online Library Terms and Conditions of UseShareable LinkUse the link below to share a full-text version of this article with your friends and colleagues. Learn more.Copy URL Abstract The U.S. Department of Energy and the National Renewable Energy Laboratory are developing technologies to produce hydrogen from renewable, sustainable sources. A cost goal of $2.00–$3.00 kg−1 of hydrogen has been identified as the range at which delivered hydrogen becomes cost competitive with gasoline for passenger vehicles. Electrolysis of water is a standard commercial technology for producing hydrogen. Using wind and solar resources to produce the electricity for the process creates a renewable system. Biomass-to-hydrogen processes, including gasification, pyrolysis, and fermentation, are less well-developed technologies. These processes offer the possibility of producing hydrogen from energy crops and from biomass materials such as forest residue and municipal sewage. Solar energy can be used to produce hydrogen from water and biomass by several conversion pathways. Concentrated solar energy can generate high temperatures at which thermochemical reactions can be used to split water. Photoelectrochemical water splitting and photobiology are long-term options for producing hydrogen from water using solar energy. All these technologies are in the development stage. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd. Citing Literature Volume32, Issue5Special Issue: Special issue on Renewables and Hydrogen Energy Technologies for Sustainable DevelopmentApril 2008Pages 379-407 RelatedInformation

A cobalt-phosphate based oxygen evolution catalyst (Co-Pi OEC) was electrochemically deposited onto the surface of a porous bismuth vanadate electrode doped with 2 atom% Mo (BiV0.98Mo0.02O4). The porous BiV0.98Mo0.02O4electrode was prepared using a surfactant assisted metal–organic decomposition technique at 500 °C. The comparison of the photocurrent–voltage characteristics of the BiV0.98Mo0.02O4electrodes with and without the presence of Co-Pi catalyst demonstrated that the Co-Pi catalyst enhanced the anodic photocurrent of the BiV0.98Mo0.02O4electrode with its effect more pronounced at lower potentials. A stable photocurrrent density of 1.0 mA cm−2 at 1.0 V vs.Ag/AgCl was achieved under standard AM 1.5 illumination using 0.5M Na2SO4 aqueous solution in phosphate buffer at pH7. Relative to the BiV0.98Mo0.02O4electrode, a sustained enhancement, nearly doubled photocurrent density was observed at 1.0 V vs.Ag/AgCl for Co-Pi/BiV0.98Mo0.02O4 composite photoelectrode. Significant performance gains are obtained on BiV0.98Mo0.02O4electrodes upon modification with Co-Pi water oxidation catalyst.

Solar water splitting via multi-junction semiconductor photoelectrochemical cells provides direct conversion of solar energy to stored chemical energy as hydrogen bonds. Economical hydrogen production demands high conversion efficiency to reduce balance-of-systems costs. For sufficient photovoltage, water-splitting efficiency is proportional to the device photocurrent, which can be tuned by judicious selection and integration of optimal semiconductor bandgaps. Here, we demonstrate highly efficient, immersed water-splitting electrodes enabled by inverted metamorphic epitaxy and a transparent graded buffer that allows the bandgap of each junction to be independently varied. Voltage losses at the electrolyte interface are reduced by 0.55 V over traditional, uniformly p-doped photocathodes by using a buried p–n junction. Advanced on-sun benchmarking, spectrally corrected and validated with incident photon-to-current efficiency, yields over 16% solar-to-hydrogen efficiency with GaInP/GaInAs tandem absorbers, representing a 60% improvement over the classical, high-efficiency tandem III–V device. Solar water-splitting efficiency can be enhanced by careful bandgap selection in multi-junction semiconductor structures. Young et al. demonstrate a route that allows independent bandgap tuning of each junction in an immersed water-splitting device, enabling a solar-to-hydrogen efficiency of over 16%.

Here, we propose general strategies for the rational design of semiconductors to simultaneously meet all of the requirements for a high-efficiency, solar-driven photoelectrochemical (PEC) water-splitting device. As a case study, we apply our strategies for engineering the popular semiconductor, anatase ${\text{TiO}}_{2}$. Previous attempts to modify known semiconductors such as ${\text{TiO}}_{2}$ have often focused on a particular individual criterion such as band gap, neglecting the possible detrimental consequence to other important criteria. Density-functional theory calculations reveal that with appropriate donor-acceptor coincorporation alloys with anatase ${\text{TiO}}_{2}$ hold great potential to satisfy all of the criteria for a viable PEC device. We predict that (Mo, 2N) and (W, 2N) are the best donor-acceptor combinations in the low-alloy concentration regime whereas (Nb, N) and (Ta, N) are the best choice of donor-acceptor pairs in the high-alloy concentration regime.

Electrolysis converts electrical energy into chemical energy by storing electrons in the form of stable chemical bonds. The chemical energy can be used as a fuel or converted back to electricity when needed. Water electrolysis to hydrogen and oxygen is a well-established technology, whereas fundamental advances in CO 2 electrolysis are still needed to enable short-term and seasonal energy storage in the form of liquid fuels. This paper discusses the electrolytic reactions that can potentially enable renewable energy storage, including water, CO 2 and N 2 electrolysis. Recent progress and major obstacles associated with electrocatalysis and mass transfer management at a system level are reviewed. We conclude that knowledge and strategies are transferable between these different electrochemical technologies, although there are also unique complications that arise from the specifics of the reactions involved.