Estrarre un combustibile pulito dall'acqua

Mar 15, 2023

Un’abbondante offerta di energia pulita è in agguato sotto gli occhi di tutti. È l’idrogeno che possiamo estrarre dall’acqua (H2O) utilizzando energia rinnovabile. Gli scienziati stanno cercando metodi a basso costo per produrre idrogeno pulito dall’acqua per sostituire i combustibili fossili, come parte della lotta al cambiamento climatico.

L’idrogeno può alimentare i veicoli emettendo solo acqua. L’idrogeno è anche una sostanza chimica importante per molti processi industriali, in particolare nella produzione dell’acciaio e dell’ammoniaca. L’uso di idrogeno più pulito è altamente auspicabile in questi settori.

Un team multi-istituzionale guidato dall’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE).ha sviluppato un catalizzatore a basso costo per un processo che produce idrogeno pulito dall’acqua. Altri contributori includono i Sandia National Laboratories del DOE e il Lawrence Berkeley National Laboratory, nonché Giner Inc.

"Un processo chiamato elettrolisi produce idrogeno e ossigeno dall'acqua ed esiste da più di un secolo", ha affermato Di-Jia Liu, chimico senior dell'Argonne. Ha inoltre un incarico congiunto presso la Pritzker School of Molecular Engineering presso l'Università di Chicago.

Gli elettrolizzatori con membrana a scambio protonico (PEM) rappresentano una nuova generazione di tecnologia per questo processo. Possono dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno con maggiore efficienza a temperatura quasi ambiente. La ridotta domanda di energia li rende la scelta ideale per produrre idrogeno pulito utilizzando fonti rinnovabili ma intermittenti, come il solare e l’eolico.

Questo elettrolizzatore funziona con catalizzatori separati per ciascuno dei suoi elettrodi (catodo e anodo). Il catalizzatore del catodo produce idrogeno, mentre il catalizzatore dell'anodo forma ossigeno. Un problema è che il catalizzatore dell’anodo utilizza iridio, che ha un prezzo di mercato attuale di circa 5.000 dollari l’oncia. La mancanza di approvvigionamento e l’alto costo dell’iridio rappresentano un grave ostacolo per l’adozione diffusa degli elettrolizzatori PEM.

L'ingrediente principale del nuovo catalizzatore è il cobalto, che è sostanzialmente più economico dell'iridio. "Abbiamo cercato di sviluppare un catalizzatore anodico a basso costo in un elettrolizzatore PEM che generi idrogeno ad alto rendimento consumando una minima energia", ha detto Liu. "Utilizzando il catalizzatore a base di cobalto preparato con il nostro metodo, è possibile eliminare il principale collo di bottiglia in termini di costi per la produzione di idrogeno pulito in un elettrolizzatore."

Giner Inc., una delle principali società di ricerca e sviluppo impegnata nella commercializzazione di elettrolizzatori e celle a combustibile, ha valutato il nuovo catalizzatore utilizzando le sue stazioni di prova per elettrolizzatori PEM in condizioni operative industriali. Le prestazioni e la durata hanno superato di gran lunga quelle dei catalizzatori della concorrenza.

Per migliorare ulteriormente le prestazioni del catalizzatore è importante comprendere il meccanismo di reazione su scala atomica in condizioni operative dell'elettrolizzatore. Il team ha decifrato i cambiamenti strutturali critici che si verificano nel catalizzatore in condizioni operative utilizzando analisi a raggi X presso l’Advanced Photon Source (APS) ad Argonne. Hanno inoltre identificato le principali caratteristiche del catalizzatore utilizzando la microscopia elettronica presso i Sandia Labs e il Centro per i materiali su nanoscala (CNM) dell'Argonne. L'APS e il CNM sono entrambi strutture per gli utenti del DOE Office of Science.

"Abbiamo ripreso la struttura atomica sulla superficie del nuovo catalizzatore in vari stadi di preparazione", ha affermato Jianguo Wen, scienziato dei materiali Argonne.

Inoltre, la modellazione computazionale presso il Berkeley Lab ha rivelato importanti informazioni sulla durabilità del catalizzatore in condizioni di reazione.

Il risultato del team è un passo avanti nell’iniziativa Hydrogen Energy Earthshot del DOE, che imita il “Moon Shot” del programma spaziale statunitense degli anni ’60. Il suo obiettivo ambizioso è ridurre il costo della produzione di idrogeno verde a un dollaro per chilogrammo in un decennio. La produzione di idrogeno verde a quel costo potrebbe rimodellare l’economia della nazione. Le applicazioni includono la rete elettrica, la produzione, i trasporti e il riscaldamento residenziale e commerciale.

"Più in generale, i nostri risultati stabiliscono un percorso promettente nella sostituzione dei catalizzatori realizzati con metalli preziosi costosi con elementi che sono molto meno costosi e più abbondanti", ha osservato Liu.