L'idea di utilizzare l'idrogeno come base di una fonte di energia pulita e sostenibile, spesso definita economia dell'idrogeno, è stato un argomento di conversazione per decenni. Combustibile a idrogeno, Per esempio, non emette anidride carbonica ed è considerato più sostenibile dei tradizionali combustibili fossili.

L'elemento più leggero della tavola periodica, l'idrogeno è un vettore energetico che può essere utilizzato per alimentare le celle a combustibile nei veicoli di trasporto, edifici o altre infrastrutture. L'idrogeno può anche aiutare a riciclare cose come la paglia, erbe e altre biomasse in prodotti chimici di alto valore utilizzati in tutto, dalla plastica alle vernici agli articoli per la cura personale.

Ma la tecnologia che guida queste innovazioni ha dovuto affrontare serie sfide, principalmente perché la liberazione dell'idrogeno per questi usi è prodotta principalmente attraverso processi che richiedono combustibili fossili e hanno un costo ambientale:l'anidride carbonica.

Ora, L'ingegnere dell'Università del Delaware Feng Jiao ha brevettato un processo che potrebbe essere la chiave per produrre idrogeno più verde dall'acqua utilizzando l'elettricità e un catalizzatore rame-titanio.

Un focus sulle rinnovabili

Jiao, professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare e direttore associato del Center for Catalytic Science and Technology presso UD, non era sempre interessato all'elettrolisi dell'acqua, che utilizza l'elettricità per ridurre l'acqua in gas idrogeno e molecole di ossigeno. Quando si è unito per la prima volta alla facoltà UD nel 2010, il suo programma di ricerca si è concentrato sulla capacità di accumulo di energia delle batterie.

"Ma ci siamo resi conto che le batterie sono una tecnologia costosa per lo stoccaggio di energia su larga scala, quindi il mio laboratorio ha iniziato a concentrarsi su modi vantaggiosi per usare l'elettricità invece, " ha detto Jiao. "La conversione chimica è un modo per farlo".

Inizialmente, Jiao e il suo team di ricerca si sono concentrati sullo sviluppo di processi per trasformare l'anidride carbonica in sostanze chimiche utili, come l'etanolo che può essere utilizzato nei combustibili sintetici, o etilene che può essere utilizzato per produrre polimeri e materie plastiche. Un progetto, finanziato dalla National Science Foundation e successivamente dalla National Aeronautics and Space Administration (NASA), esplorato modi per convertire l'anidride carbonica in ossigeno, qualcosa che sarebbe molto utile per l'esplorazione dello spazio profondo. Jiao e i suoi studenti hanno sviluppato un sistema efficiente, ma hanno scoperto che avevano bisogno di un catalizzatore migliore per guidare la reazione.

Mentre testavano diversi metalli per il lavoro, i ricercatori hanno scoperto inaspettatamente che una lega di rame-titanio è tra le poche non preziose, catalizzatori a base di metallo che possono scindere l'acqua in gas idrogeno e ossigeno, un processo denominato evoluzione dell'idrogeno. Sia il rame che il titanio sono considerati poco costosi e relativamente abbondanti rispetto ai metalli preziosi, come argento o platino, tipicamente adatto al lavoro.

L'idrogeno è attualmente prodotto utilizzando ciò che è noto come reforming del metano a vapore, dove vengono impiegati gas naturale e calore elevato per liberare le molecole di idrogeno dal metano. Jiao lo definisce un "processo sporco" perché quando il gas idrogeno viene rimosso, tutto ciò che resta è carbonio, generalmente sotto forma di anidride carbonica.

"Così, puoi produrre idrogeno a basso costo, ma a un costo ambientale:emissioni di anidride carbonica, "dice Jiao.

Questo ha spinto Jiao a pensare a modi più puliti per produrre idrogeno senza costi ambientali.

Pulitore, processi più verdi

Il rame è noto per condurre bene sia il calore che l'elettricità. Per questo è il materiale d'elezione per i cablaggi elettrici nelle nostre case, pentole, elettronica, parti di autoveicoli, anche parti di aria condizionata e riscaldamento domestico.

Però, il rame da solo non è efficace nella produzione di idrogeno. Ma aggiungi un po' di chimica interessante - e un po' di titanio - e un mondo di possibilità si apre improvvisamente per creare catalizzatori che tirano il loro peso e servono l'ambiente.

"Con un po' di titanio dentro, il catalizzatore di rame si comporta circa 100 volte meglio del solo rame, " disse Jiao. Questo perché, quando accoppiati insieme, i due metalli creano siti unicamente attivi che aiutano gli atomi di idrogeno a interagire fortemente con la superficie del catalizzatore in un modo paragonabile alle prestazioni di catalizzatori a base di platino molto più costosi.

Mentre i processi chimici tradizionali iniziano con i combustibili fossili, such as coal or gas, and add oxygen to produce various chemicals, Jiao explained, with hydrogen the reverse chemical reaction is possible.

"We can start with the most oxidized form of carbon—carbon dioxide—and add hydrogen to produce the same chemicals, which has a lot of potential for reducing carbon emissions, " disse Jiao, who spoke at a U.S. Senate Committee hearing on carbon capture and neutralization in 2018.

The Jiao team performs a life cycle analysis on each process they invent to evaluate the economics of how the technology stacks up against currently accepted methods. They ask themselves questions such as "Is the invention cost-effective? Is it better or worse than existing technology, and how much can be gained by using the process?"

Early results show that a copper-titanium catalyst can produce hydrogen energy from water at a rate more than two times higher than the current state-of-the-art platinum catalyst. Jiao's electrochemical process can operate at near-room temperatures (70 to 176 degrees Fahrenheit), per la maggior parte, pure, which increases the catalyst's energy efficiency and can greatly lower the overall capital cost of the system.

Jiao already has filed a patent application on the process with the help of UD's Office of Economic Innovation and Partnerships (OEIP), but he said more work is needed in terms of scaling the process for commercial applications. If they can make it work, the savings would be big—an alternative catalyst that is three orders of magnitude cheaper than the current state-of-the-art platinum-based catalyst.

Future development efforts will focus on ways to increase the size of the water electrolyzer from lab scale to commercial scale. Additional testing of the catalyst's stability also is planned. The researchers are exploring different combinations of metals, pure, to find the sweet spot between performance and cost.

"Once you have the technology, you can create jobs around material supply, produzione, and once you can build a product, you can commercialize and export it, " disse Jiao.

Feng Jiao and colleagues from Columbia University and Xi'an Jiaotong University recently reported their latest findings in an article in Catalisi ACS , una rivista dell'American Chemical Society. His colleague at Columbia University is Jingguang Chen, a former professor in UD's Department of Chemical and Biomolecular Engineering.