Verso la produzione pulita di idrogeno

Grazie a strumenti sperimentali potremo produrre idrogeno attraverso un processo catalitico elettrochimico sostenibile rispetto alla produzione di idrogeno a partire dal gas naturale

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La produzione di idrogeno dall’acqua in abbondanza diventerà presto una realtà grazie ai ricercatori dell’Oregon State University College of Engineering della Cornell University e dell’Argonne National Laboratory.

Grazie a strumenti sperimentali potremo produrre idrogeno attraverso un processo catalitico elettrochimico sostenibile rispetto alla produzione di idrogeno a partire dal gas naturale.

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I risultati dello studio sono stati pubblicati su Science Advances.

Sul nostro pianeta l’idrogeno è presente in un gran numero di composti e soprattutto nella comune acqua, dove si combina con due atomi di ossigeno. Lo possiamo trovare sotto forma di idrocarburi, composti che contengono sia l’idrogeno che il carbonio e il metano, il componente principale del gas naturale.

Come spiega Zhenxing Feng, professore di ingegneria chimica dell’Oregon State a capo dello studio, la produzione di idrogeno ha una grande importanza per la vita di tutti i giorni, viene utilizzato nelle celle a combustibile per automobili e per la produzione di molte sostanze chimiche utili come l’ammoniaca, “Viene inoltre utilizzato nella raffinazione dei metalli, per la produzione di materiali artificiali come la plastica e per una serie di altri scopi” ha aggiunto Feng.

Gli Stati Uniti producono la fetta maggiore dell’idrogeno che consumano a partire dal gas naturale utilizzando una tecnica chiamata reforming vapore-metano, ad affermarlo il dipartimento dell’energia.

La miscela di gas che si ottiene mediante il processo di reforming primario contiene metano (CH4) residuo, monossido di carbonio (CO), acqua(H2O) e idrogeno (H2). Tramite il reforming secondario viene svolta una post-combustione con aria attraverso la quale si ottiene una maggiore concentrazione di monossido di carbonio e idrogeno e una minore concentrazione di metano residuo.

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Con un ulteriore passaggio detto “reazione di spostamento del gas d’acqua” il monossido di carbonio e il vapore vengono fatti reagire mediante un catalizzatore, producendo anidride carbonica e idrogeno. Nell’ultima fase l’anidride carbonica e lòe altre impurità vengono rimosse, lasciando l’idrogeno puro.

Feng ha spiegato che utilizzare l’elettricità da fonti rinnovabili per produrre l’idrogeno rimane la soluzione più pulita e sostenibile, aggiungendo però:

“Tuttavia, l’efficienza della scissione dell’acqua è bassa, principalmente a causa dell’elevato potenziale eccessivo – la differenza tra il potenziale effettivo e il potenziale teorico di una reazione elettrochimica – di una semireazione chiave nel processo, la reazione di evoluzione dell’ossigeno o OER”.

Una semireazione è una delle due parti di una reazione redox, o riduzione-ossidazione, in cui gli elettroni vengono trasferiti tra due reagenti; la riduzione si riferisce al guadagno di elettroni, l’ossidazione significa invece perdere elettroni.

Il concetto di semi-reazioni è spesso usato per descrivere quello che avviene in una cella elettrochimica e le mezze reazioni sono comunemente usate come un modo per bilanciare le reazioni redox. Il sovrapotenziale è il margine tra la tensione teorica e la tensione effettiva necessaria per provocare l’elettrolisi, una reazione chimica guidata dall’applicazione di corrente elettrica.

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“Gli elettrocatalizzatori sono fondamentali per favorire la reazione di scissione dell’acqua abbassando il potenziale eccessivo, ma lo sviluppo di elettrocatalizzatori ad alte prestazioni è tutt’altro che semplice”, ha spiegato Feng. “Uno dei principali ostacoli è la mancanza di informazioni riguardanti la struttura in evoluzione degli elettrocatalizzatori durante le operazioni elettrochimiche. Comprendere l’evoluzione strutturale e chimica dell’elettrocatalizzatore durante l’OER è essenziale per lo sviluppo di materiali elettrocatalizzatori di alta qualità e, a sua volta, l’energia sostenibilità”.

Feng e i suoi collaboratori hanno utilizzato una serie di strumenti di caratterizzazione avanzati per studiare l’evoluzione strutturale atomica di un elettrocatalizzatore OER all’avanguardia, iridato di stronzio (SrIrO 3 ), in elettrolita acido.

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“Volevamo capire l’origine della sua attività record per l’OER, 1.000 volte superiore al comune catalizzatore commerciale, l’ossido di iridio”, ha detto Feng“Utilizzando strutture a raggi X basate su sincrotrone ad Argonne e la spettroscopia di fotoelettroni a raggi X basata su laboratorio presso il sito dell’infrastruttura nanotecnologica nordoccidentale presso OSU, abbiamo osservato la trasformazione chimica di superficie e da cristallino ad amorfo di SrIrO 3 durante l’OER”.

Le osservazioni hanno portato a una comprensione più completa sulla capacità dello stronzio iridato di funzionare così bene come catalizzatore.

“La nostra dettagliata scoperta su scala atomica spiega come si forma lo strato di iridato di stronzio attivo sull’iridato di stronzio e indica il ruolo critico dell’attivazione dell’ossigeno nel reticolo e della diffusione ionica accoppiata sulla formazione delle unità OER attive”, ha spiegato Feng.

Lo studio aggiunge molte informazioni su come il potenziale applicato faciliti la formazione degli strati amorfi funzionali all’interfaccia elettrochimica e consente la realizzazione di catalizzatori migliori.