Un team di scienziati guidato dalla Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) hanno scoperto i parametri che determinano l'efficienza di una classe di catalizzatori a basso costo chiamati ossidi di spinello, una scoperta che rompe un collo di bottiglia nell'estrazione dell'idrogeno dall'acqua attraverso l'elettrolisi, il processo di scissione dell'acqua con l'elettricità.

Una delle principali sfide di questo processo risiede nella perdita di energia quando avvengono le reazioni chimiche coinvolte nell'elettrolisi dell'acqua, aumentando il costo per produrre idrogeno attraverso questo metodo. I catalizzatori sono quindi necessari per accelerare queste reazioni chimiche.

ossidi di spinello, che sono tipicamente fatti di metalli di transizione economici, hanno suscitato interesse negli ultimi anni come stabile, catalizzatore a basso costo che potrebbe vincere questa sfida, ma la progettazione di ossidi di spinello ad alte prestazioni è stata ostacolata dalla mancanza di comprensione di come funzionano.

Ora, Il professore associato di NTU Singapore Jason Xu Zhichuan e il suo team hanno fatto due importanti progressi. hanno svelato, su scala atomica, come funzionano gli ossidi di spinello per accelerare l'elettrolisi dell'acqua. Preparato con quella nuova comprensione, il team ha quindi utilizzato l'apprendimento automatico per selezionare nuovi ossidi di spinello con una maggiore attività catalitica, rendendo l'elettrolisi dell'acqua più efficiente.

Questi risultati avvicinano il team a rendere la scissione dell'acqua un approccio adatto per la produzione su larga scala di gas idrogeno, che è stata evidenziata dall'Autorità per il mercato dell'energia come una possibile alternativa a basse emissioni di carbonio per ridurre l'impronta di carbonio di Singapore in quanto mira a dimezzare le sue massime emissioni di gas serra entro il 2050. Ciò è in linea con le tendenze globali:l'Unione europea, ad esempio, ha recentemente presentato la sua strategia sull'idrogeno come parte importante della soluzione per raggiungere l'obiettivo di neutralità climatica del 2050 del Green Deal europeo.

Il Professore Associato Xu della NTU School of Materials Sciences and Engineering ha dichiarato:"Per migliorare le prestazioni degli ossidi di spinello, abbiamo bisogno di una comprensione più profonda di come funzionano come catalizzatori per rendere più efficiente l'elettrolisi dell'acqua. Ora, individuando i parametri che rendono gli ossidi di spinello buoni catalizzatori per questo processo, possiamo creare nuovi, migliori ossidi di spinello in base a questi parametri, portandoci un passo avanti verso un'economia alimentata dall'idrogeno".

I risultati sono stati pubblicati su una rivista scientifica Catalisi della natura nel mese di luglio.

Un passo avanti verso un'economia alimentata a idrogeno

Estrarre l'idrogeno dall'elettrolisi dell'acqua, quando alimentato da fonti di energia rinnovabile come l'energia eolica o solare, è un approccio interessante per produrre combustibile a idrogeno, che ha il potenziale per sostituire i combustibili fossili utilizzati nelle centrali elettriche, trasporto, e il processo di bunkeraggio.

L'idrogeno è anche interessante come valida alternativa alle tradizionali opzioni di accumulo di energia come le batterie agli ioni di litio, che perdono gradualmente la loro carica nel tempo.

Il processo di elettrolisi dell'acqua avviene in un elettrolizzatore, dove si verificano due reazioni chimiche principali quando l'acqua viene scissa:una provoca la produzione di idrogeno, mentre l'altro porta alla produzione di ossigeno, e i due gas sono tenuti separati da una membrana.

Assoc Prof Xu, che fa anche parte dell'Energy Research Institute di NTU, ha detto che il principale collo di bottiglia risiede nella reazione chimica che porta alla generazione di ossigeno dall'altra parte nota come reazione di rivoluzione dell'ossigeno.

Ha detto:"La reazione di evoluzione dell'ossigeno è fondamentale per l'efficienza dei dispositivi che dividono l'acqua per produrre combustibile a idrogeno, ma è anche una reazione chimica lenta che riduce l'efficienza complessiva di conversione dell'energia. Questo è il motivo per cui abbiamo bisogno di catalizzatori come gli ossidi metallici per accelerare le cose".

Mentre gli ossidi di metalli preziosi hanno dimostrato di essere catalizzatori all'avanguardia che riducono il consumo di energia e migliorano l'efficienza di conversione dell'energia, la loro scarsità, l'alto costo e la scarsa durata ne hanno limitato l'applicazione su larga scala.

ossidi di spinello, con il loro basso costo e disponibilità in abbondanza, potrebbero diventare una valida alternativa se progettati con i giusti parametri, come il tipo di metallo di transizione nell'ossido di spinello, per aumentare l'attività catalitica, ha detto Assoc Prof Xu.

Sulla base dei parametri chiave identificati dal team, il team ha addestrato un modello di apprendimento automatico con un set di dati di oltre 300 ossidi di spinello per analizzare e prevedere l'efficienza di qualsiasi catalizzatore di ossido di spinello in pochi secondi.

Usando questo metodo, il team ha scoperto che si prevedeva che un nuovo ossido comprendente manganese e alluminio mostrasse un'attività catalitica superiore. Questo è stato convalidato sperimentalmente.

Assoc Prof Xu ha dichiarato:"Mentre la capacità di progettare catalizzatori altamente efficienti spinge notevolmente in avanti la tecnica dell'elettrolisi dell'acqua nella produzione di idrogeno, ci sono altri due principali colli di bottiglia che dobbiamo esaminare prima che sia possibile un'adozione diffusa di questa tecnica. in primo luogo, dobbiamo migliorare la membrana in tali elettrolizzatori alcalini per supportare la produzione di idrogeno a lungo termine. Quando questo è fatto, quindi possiamo lavorare con i nostri colleghi ingegneri per vedere come possiamo inserire tutti questi aggiornamenti in un elettrolizzatore che può funzionare a livello industriale".