Progettato un nuovo elettrocatalizzatore sostenibile ed efficiente per rendere la produzione di idrogeno rinnovabile più economica
Verso una nuova generazione di elettrolizzatori alcalini
(Rinnovabili.it) – Elettrolisi solare e nano strutture di rutenio, un metallo raro, potrebbero costituire la nuova ricetta per un idrogeno verde economico. A dosare e testare gli ingredienti, un gruppo di ricercatori dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) a Genova, e di BeDimensional SpA, spin-off dello stesso IIT. Gli scienziati hanno messo a punto un componente essenziale della produzione di idrogeno tramite elettrolisi: il catalizzatore, ossia la specie chimica aggiunta alla reazione per aumentarne la velocità.
Nell’evoluzione dell’idrogeno, una delle due reazioni che si svolgono nell’elettrolisi dell’acqua, l’elettrocatalizzatore in grado di fornire i migliori risultati è oggi costituito da platino depositato sul carbonio mesoporoso. Questo composto ha dimostrato di lavorare in maniera eccellente sia con egli elettroliti acidi che con quelli basici impiegati dagli elettrolizzatori alcalini (tecnologia leader nel mercato). Tuttavia non è un mistero che tale elemento sia particolarmente costoso e che il suo prezzo incida, assieme a quello dell’elettricità, sul costo finale del vettore H2.
Per ottenere idrogeno verde economico e competitivo con la sua versione fossile (l’H2 grigio), spiegano gli scienziati, “è fondamentale progettare una nuova generazione di elettrocatalizzatori sostenibili e altamente efficienti integrabili negli elettrolizzatori, in grado di funzionare continuamente a densità di corrente pratiche, cioè nell’intervallo di 0,2–1 A/cm2 o anche superiori”.
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Un nuovo elettrocatalizzatore per idrogeno verde economico
Il team dell’IIT e di BeDimensional ha sostituito il platino con il rutenio (Ru). Benché si tratti di un metallo raro, al momento è disponibile ad un circa un quinto del prezzo del platino. Ma scambiare un elemento con l’altro rappresenta un’azione complessa nella pratica. I catalizzatori a base di Ru devono affrontare, infatti, diversi problemi tecnici, dal forte legame metallo-idrogeno che impedisce un efficace rilascio dell’H2 al rischio di “avvelenamento” dei siti attivi del catalizzatore.
Il team ha superato questi inconvenienti progettando un elettrodo in TiO2 amorfo/rame decorato con piccolissime strutture di rutenio e rame. La nuova tecnologia prevede l’uso di solamente 40 milligrammi di rutenio per kW. A titolo di confronto negli elettrolizzatori a membrana si usa fino ad 1 grammo di platino per kW.
“Abbiamo realizzato analisi elettrochimiche, simulazioni teoriche e test sotto condizioni industrialmente rilevanti che ci hanno permesso di determinare l’attività catalitica dei nostri materiali e comprenderne il funzionamento a livello molecolare, ovvero il meccanismo della reazione di scissione dell’acqua sulla loro superficie”, spiegano Sebastiano Bellani e Marilena Zappia di BeDimensional coinvolti nelle ricerche. “Grazie ai dati raccolti, un’analisi tecno-economica ha inoltre dimostrato la competitività di questa tecnologia sia con i metodi di produzione di idrogeno (basati su fonti fossili) che con gli attuali elettrolizzatori”.
Le prospettive future
Grazie all’uso del rutenio, i ricercatori di IIT e BeDimensional hanno reso possibile il miglioramento degli elettrolizzatori alcalini, rendendo questa tecnologia più efficiente e con lunga vita operativa, in grado di abbattere i costi di produzione dell’idrogeno verde.“In futuro, prevediamo di applicare la nostra tecnologia, e i catalizzatori nanostrutturati basati su materiali bidimensionali sostenibili, in grandi impianti di elettrolizzatori alimentati con energia elettrica proveniente da fonti rinnovabili, tra cui l’energia elettrica prodotta da parchi fotovoltaici”, concludono i ricercatori. I risultati dello studio sono stati pubblicati su Journal of the American Chemical Society e Nature Communications.
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