Le celle a combustibile svolgono un ruolo importante nella creazione di un futuro di energia pulita, con un'ampia gamma di applicazioni che vanno dall'alimentazione degli edifici all'elettrificazione dei trasporti. Ma, come con tutte le tecnologie emergenti, i ricercatori hanno dovuto affrontare molti ostacoli nello sviluppo di soluzioni a prezzi accessibili, celle a combustibile efficienti e creare un modo per produrre in modo pulito l'idrogeno che le alimenta.

In un nuovo articolo di Prospettiva, pubblicato in Journal of The Electrochemical Society , i ricercatori mirano ad affrontare un dibattito fondamentale nelle reazioni chiave dietro le celle a combustibile e la produzione di idrogeno, quale, se risolto, potrebbe rafforzare in modo significativo le tecnologie energetiche pulite.

Nell'articolo ad accesso libero, "Prospettiva:verso la definizione dell'energia apparente di legame dell'idrogeno come descrittore per le reazioni di ossidazione/evoluzione dell'idrogeno, " Yushan Yan e i suoi coautori dell'Università del Delaware forniscono una panoramica autorevole del lavoro svolto nelle aree dell'ossidazione e dell'evoluzione dell'idrogeno, presentare questioni chiave per il dibattito, e fornire percorsi per l'innovazione futura nel settore.

L'ossidazione dell'idrogeno e le reazioni di evoluzione dell'idrogeno sono due delle più semplici reazioni elettrochimiche, eppure sembra essere la spina dorsale per lo sviluppo di tecnologie energetiche pulite fondamentali.

"Queste due reazioni sono la base per le celle a combustibile pulite, " Yan dice. "Con l'ossidazione dell'idrogeno, hai una reazione da cella a combustibile. Se fai l'evoluzione dell'idrogeno, produrre idrogeno dall'acqua, questa è l'elettrolisi dell'acqua, che produce idrogeno pulito per celle a combustibile e altre applicazioni."

Attualmente, Le celle a combustibile sono note principalmente per il loro ruolo nell'elettrificazione dei trasporti. Le auto a celle a combustibile sono state introdotte sul mercato da aziende come Toyota, Honda, e Hyundai, che continuano a sostenere veicoli alimentati da tecnologie energetiche pulite. La maggior parte delle moderne celle a combustibile, in particolare quelli utilizzati per applicazioni automobilistiche, sono celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEM), che funziona scambiando protoni attraverso una membrana polimerica acida per produrre elettricità e calore.

Però, Yan e il suo team stanno cercando di migliorare questo modello, esaminando modi fondamentali per produrre una cella a combustibile che è più conveniente.

"Quello che vogliamo fare è passare da un acido a una base, " dice Yan. "Può sembrare molto semplice, ma questo cambiamento ci consente di utilizzare metalli non preziosi come catalizzatori invece dei costosissimi metalli del gruppo del platino. Stiamo davvero cercando di risolvere la barriera davanti alla tecnologia delle celle a combustibile PEM, rendendolo più economico e quindi distribuibile al mercato di massa."

I ricercatori hanno scoperto che quando hanno iniziato il passaggio da una cella a combustibile acido a una base, sia le reazioni di ossidazione dell'idrogeno che le reazioni di evoluzione dell'idrogeno sono diventate molto più lente, che influiscono sull'efficienza della tecnologia. Nell'articolo Prospettiva, il gruppo delinea questo problema e inizia a formulare opinioni sul perché questo sta accadendo, oltre a invitare i colleghi sul campo a partecipare alla conversazione.

"Fare ricerca può essere competitivo, ma allo stesso tempo, dobbiamo anche avere più persone che si uniscono alla conversazione in modo che le cose inizino ad accadere più velocemente, " Yan dice. "Con questo articolo, stiamo cercando più persone che prestino attenzione a questo problema e si uniscano a noi nel dibattito".

Esaminando più da vicino le reazioni fondamentali che sono essenziali per promuovere le tecnologie di produzione di celle a combustibile e idrogeno pulito, Yan crede che si potrebbero fare passi da gigante per le applicazioni future.

"Quando affronti queste domande fondamentali, potrebbe esserci un impatto immediato, " Yan dice. "In questo articolo, stiamo parlando di ossidazione dell'idrogeno, che è per le celle a combustibile. Ma stiamo anche parlando della reazione inversa, che è l'evoluzione dell'idrogeno. L'evoluzione dell'idrogeno riguarda la produzione di idrogeno dall'acqua utilizzando l'energia eolica e solare. È idrogeno pulito. Sicuro, che l'idrogeno può supportare i veicoli a celle a combustibile, ma l'idrogeno ha molte altre applicazioni."

Alcune di queste altre applicazioni includono la sintesi dell'ammoniaca. Senza fertilizzanti a base di ammoniaca, il mondo non sarebbe in grado di coltivare cibo a sufficienza per sfamare la sua popolazione. Mentre la produzione di ammoniaca è fondamentale per l'umanità, l'idrogeno necessario per produrlo proviene da combustibili fossili. L'ammoniaca è attualmente prodotta da una reazione tra azoto e idrogeno, chiamato processo Haber-Bosch, dove l'idrogeno è prodotto dal reforming del gas naturale. Se l'idrogeno utilizzato in questo processo fosse invece prodotto con un metodo pulito, l'impatto ambientale complessivo sarebbe estremamente migliorato.

Il tipo di articolo Prospettiva di ECS ha fornito a Yan e ai suoi coautori una piattaforma unica per presentare le loro idee. Invece di un tradizionale articolo di ricerca, Gli articoli di ECS Perspective consentono ai ricercatori di discutere nuove intuizioni nel loro campo, con la capacità di generare nuove idee e far avanzare i campi relativi all'elettrochimica e alla scienza dello stato solido.

"L'articolo di Perspective ci ha permesso di riassumere cosa sta succedendo in quest'area, ma soprattutto, delineare cosa potrebbe essere fatto o cosa deve essere fatto in futuro, " Yan dice. "Nella pubblicazione con il Journal of The Electrochemical Society , Sentivo che avremmo raggiunto il pubblico più appropriato che fosse ben attrezzato per trovare nuove idee".

Yan spera che questo articolo possa stimolare una conversazione sulle reazioni fondamentali nelle celle a combustibile e iniziare uno scambio di idee, potenzialmente accelerare il progresso nel campo.

"Il mio scenario da sogno, "Yan ha detto, "è che un giorno, Vedrei la mia cella a combustibile con membrana a scambio di idrossido essere implementata in un'auto".