Trovato un materiale poco costoso per sostuire l’iridio nell’elettrolisi dell’acqua, che produce idrogeno

La collaborazione tra ricercatori di vari istituti in Spagna ha sviluppato con successo un elettrodo che non utilizza l’elemento di terra rara iridio al suo anodo, ma che può con successo essere utilizzato nella scissione dell’acqua per ottenere idrogeno e ossigeno.

In condizioni di laboratorio, il team ha stabilito i record di massima stabilità e densità energetica per un elettrolizzatore senza iridio, secondo il loro comunicato stampa.

L’idrogeno ha un potenziale come carburante verde senza emissioni di carbonio, che un giorno potrebbe anche far volare gli aerei. Tuttavia, gli attuali metodi di produzione dell’idrogeno dipendono dai combustibili fossili e comportano emissioni di carbonio.

Per questo motivo, i ricercatori di tutto il mondo hanno lavorato allo sviluppo di metodi non inquinanti per generare idrogeno. L’approccio a membrana a scambio di protoni (PEM) dell’elettrolisi dell’acqua ha raggiunto alti livelli di efficienza. Utilizzando fonti di elettricità più pulite per alimentare il dispositivo, si può anche generare idrogeno verde.

Anche gli elettrodi presentano degli svantaggi, poiché i catalizzatori utilizzati nella reazione, come l’iridio, sono estremamente rari sul pianeta. Quindi, i ricercatori spagnoli erano desiderosi di trovare un’alternativa adatta che potesse rendere gli elettrolizzatori senza iridio una realtà.

Il team di ricerca

Perché l’iridio è così importante?

L’elettrolisi è una reazione complessa e la produzione di idrogeno avviene in ambienti altamente acidi. In condizioni di pH basso e potenziale elettrico elevato, i metalli non sono stabili e tendono a dissolversi nella reazione, non agendo più come catalizzatori.

L’ossido di iridio, invece, mostra un’elevata stabilità in ambienti acidi, pur mantenendo alti livelli di attività, il che lo rende il metallo preferito negli elettrolizzatori PEM.

Le ricerche precedenti sui catalizzatori senza iridio hanno portato i ricercatori a materiali come gli ossidi di manganese e cobalto. Tuttavia, questi materiali non hanno funzionato in modo soddisfacente su scala, rendendoli inadatti per un’ampia diffusione.

Il problema è che l‘iridio è incredibilmente raro e si calcola che ne siano prodotte solo 7,5 tonnellate all’anno. Quindi vi è una necessità assoluta di sostituire l’iridio negli elettrodi se si vuole giungere ad un procedimento di elettrolisi dell’acqua che sia economicamente conveniente. Bisogna trovare il modo di abbattere i costi, per rendere la produzione di idroogeno conveniente.

Un nuovo approccio

I ricercatori guidati da F. Pelayo García de Arquer, professore dell’ICFO-Istituto di Scienze Fotoniche, volevano sviluppare un catalizzatore basato sul cobalto, poiché è abbondantemente disponibile. Tuttavia, a causa di precedenti fallimenti nell’approccio, i ricercatori hanno adottato un approccio innovativo e diverso.

“Abbiamo progettato un nuovo materiale che coinvolge attivamente gli ingredienti della reazione (acqua e suoi frammenti) nella sua struttura”, ha spiegato García de Arquer in un comunicato stampa.

Il team ha utilizzato un processo chiamato delaminazione, in cui una parte del materiale è stata sostituita dall’acqua, rendendo il catalizzatore di cobalto più robusto di prima.

“Abbiamo scoperto che l’incorporazione di acqua nella struttura del catalizzatore può essere personalizzata per proteggere il catalizzatore in queste condizioni difficili, consentendo così un funzionamento stabile alle alte densità di corrente che sono importanti per le applicazioni industriali”, ha aggiunto García de Arquer.

Il team ha lavorato con l’ossido di cobalto-tungsteno (CoWO4 o CWO) e ha utilizzato l’acqua per sostituire l’ossido di tungsteno nella struttura reticolare. Il catalizzatore è stato poi utilizzato nell’elettrodo anodico durante l’elettrolisi e si è scoperto che aveva prestazioni migliori e più stabili rispetto ai precedenti catalizzatori a base di cobalto.

Questo perché la rimozione dell’ossido di tungsteno ha lasciato un buco, che è stato riempito dall’acqua e dagli ioni idrossido. Questo ha impedito al cobalto di dissolversi nella reazione e ha protetto la sua stabilità. Il catalizzatore ha funzionato per oltre 600 ore, battendo i precedenti record ottenuti con il materiale.

Questo è lontano dalla stabilità dei PEM disponibili in commercio, ma il lavoro ha dato ai ricercatori la speranza di poter lavorare con candidati più adatti in futuro.

“Se necessario, esamineremo l’intera tavola periodica. Ed esploreremo e proveremo con loro questa nuova strategia per progettare catalizzatori che abbiamo riportato nel nostro studio”, ha detto Garcia de Arquer nel comunicato stampa.