In un lavoro che potrebbe inaugurare processi più efficienti ed ecologici per la produzione di metalli importanti come litio, ferro e cobalto, i ricercatori del MIT e dello SLAC hanno mappato ciò che sta accadendo a livello atomico dietro un approccio particolarmente promettente chiamato elettrolisi dei metalli.

Creando mappe per un'ampia gamma di metalli, non solo hanno determinato quali metalli dovrebbero essere più facili da produrre utilizzando questo approccio, ma hanno anche identificato le barriere fondamentali dietro la produzione efficiente di altri. Di conseguenza, la mappa dei ricercatori potrebbe diventare un importante strumento di progettazione per ottimizzare la produzione di tutti questi metalli.

Il lavoro potrebbe anche aiutare lo sviluppo di batterie metallo-aria, cugine delle batterie agli ioni di litio utilizzate nei veicoli elettrici di oggi.

La maggior parte dei metalli fondamentali per la società odierna sono prodotti utilizzando combustibili fossili. Questi combustibili generano le alte temperature necessarie per convertire il minerale originale nel suo metallo purificato. Ma questo processo è una fonte significativa di gas serra:l'acciaio da solo rappresenta circa il sette percento delle emissioni di anidride carbonica a livello globale. Di conseguenza, ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando per identificare modi più ecologici per la produzione di metalli.

Un approccio promettente è l'elettrolisi del metallo, in cui un ossido di metallo, il minerale, viene scaricato con elettricità per creare metallo puro con ossigeno come sottoprodotto. Questa è la reazione esplorata a livello atomico nella ricerca attuale, che è riportata nel numero dell'8 aprile 2022 della rivista Chemistry of Materials .

Donald Siegel è presidente del dipartimento e professore di ingegneria meccanica presso l'Università del Texas ad Austin. Dice Siegel, che non era coinvolto nella Chimica dei materiali studio:"Questo lavoro è un contributo importante al miglioramento dell'efficienza della produzione di metallo da ossidi di metallo. Chiarisce la nostra comprensione dei processi di elettrolisi a basse emissioni di carbonio facendo risalire la termodinamica sottostante alle interazioni metallo-ossigeno elementari. Mi aspetto che questo lavoro aiuterà nella creazione di regole di progettazione che rendano questi processi di importanza industriale meno dipendenti dai combustibili fossili."

Yang Shao-Horn, il professore di ingegneria della JR East presso il Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali (DMSE) del MIT e il Dipartimento di ingegneria meccanica del MIT, è a capo dell'attuale lavoro con Michal Bajdich dello SLAC National Accelerator Laboratory in California.

"Qui, miriamo a stabilire alcune conoscenze di base per prevedere l'efficienza della produzione di metalli elettrochimici e delle batterie metallo-aria dall'esame delle barriere termodinamiche calcolate per la conversione tra ossidi metallici e metallici", afferma Shao-Horn, che fa parte del team di ricerca per Il nuovo Centro per l'elettrificazione e la decarbonizzazione dell'industria del MIT, vincitore del primo concorso Climate Grand Challenges dell'Istituto. Shao-Horn è anche affiliato al Materials Research Laboratory e al Research Laboratory of Electronics del MIT.

Oltre a Shao-Horn e Bajdich, altri autori dell'articolo Chemistry of Materials sono Jaclyn R. Lunger, primo autore e studente laureato al DMSE, e Naomi Lutz e Jiayu Peng. Lutz ha conseguito la laurea in ingegneria meccanica al MIT nel 2022. Peng è una studentessa laureata DMSE.

Altre applicazioni

Il lavoro potrebbe anche aiutare lo sviluppo di batterie metallo-aria come batterie al litio-aria, alluminio-aria e zinco-aria. Questi cugini delle batterie agli ioni di litio utilizzate nei veicoli elettrici di oggi hanno il potenziale per elettrificare l'aviazione perché le loro densità di energia sono molto più elevate. Tuttavia, non sono ancora sul mercato a causa di una serie di problemi, tra cui l'inefficienza.

La ricarica delle batterie metallo-aria comporta anche l'elettrolisi. Di conseguenza, la nuova comprensione a livello atomico di queste reazioni potrebbe non solo aiutare gli ingegneri a sviluppare percorsi elettrochimici efficienti per la produzione di metalli, ma anche progettare batterie metallo-aria più efficienti.

Imparare dalla scissione dell'acqua

L'elettrolisi viene anche utilizzata per dividere l'acqua in ossigeno e idrogeno, che immagazzina l'energia risultante. Che l'idrogeno, a sua volta, potrebbe diventare un'alternativa ecologica ai combustibili fossili. Poiché si sa molto di più sull'elettrolisi dell'acqua, il fulcro del lavoro di Bajdich allo SLAC, rispetto all'elettrolisi degli ossidi metallici, il team ha confrontato per la prima volta i due processi.

Il risultato:"Lentamente abbiamo scoperto i passaggi elementari coinvolti nell'elettrolisi dei metalli", afferma Bajdich. Il lavoro è stato impegnativo, dice Lunger, perché "non ci era chiaro quali fossero questi passaggi. Abbiamo dovuto capire come passare da A a B" o da un ossido di metallo a un metallo e ossigeno.

Tutto il lavoro è stato condotto con simulazioni di supercomputer. "È come una sandbox di atomi, e poi giochiamo con loro. È un po' come i Lego", dice Bajdich. Più specificamente, il team ha esplorato diversi scenari per l'elettrolisi di diversi metalli. Ciascuno ha coinvolto diversi catalizzatori, molecole che aumentano la velocità di una reazione.

Dice Lunger:"Per ottimizzare la reazione, vuoi trovare il catalizzatore che la renda più efficiente". La mappa del team è essenzialmente una guida per progettare i migliori catalizzatori per ogni diverso metallo.

Qual è il prossimo? Lunger ha osservato che l'attuale lavoro si è concentrato sull'elettrolisi dei metalli puri. "Sono interessato a vedere cosa succede in sistemi più complessi che coinvolgono più metalli. Puoi rendere la reazione più efficiente se sono presenti sodio e litio, o cadmio e cesio?" + Esplora ulteriormente

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