Lo sviluppo di nuove celle elettrochimiche più efficienti potrebbe fornire una buona opzione per la produzione di idrogeno e prodotti chimici senza emissioni di carbonio insieme alla generazione e allo stoccaggio di elettricità su larga scala.

Ma prima, gli scienziati devono superare diverse sfide, incluso come rendere le cellule più efficienti ed economiche.

Di recente, un team di ricerca guidato dall'Idaho National Laboratory ha utilizzato un semplice processo per legare più strettamente i materiali all'interno di celle elettrochimiche ceramiche protoniche, note anche come PCEC, risolvendo un mistero che aveva limitato le prestazioni della tecnologia. I risultati sono stati pubblicati nell'ultimo numero di Natura . Questo è il primo documento di ricerca condotto dall'INL pubblicato su quella rivista in quasi 30 anni.

Il team comprendeva ricercatori del Massachusetts Institute of Technology, della New Mexico State University e dell'Università del Nebraska-Lincoln.

Proprio come le batterie ricaricabili utilizzano la chimica per immagazzinare l'elettricità per un uso successivo, i PCEC possono convertire l'elettricità e l'acqua in eccesso in idrogeno. I PCEC possono anche operare al contrario, convertendo l'idrogeno in elettricità. La tecnologia utilizza materiali cristallini chiamati perovskiti, che sono economici e in grado di funzionare a un'ampia gamma di temperature.

I ricercatori negli Stati Uniti stanno sviluppando le celle elettrochimiche principalmente per la generazione di idrogeno, ma anche per molte altre applicazioni. L'idrogeno prodotto da queste celle può essere utilizzato anche come combustibile per riscaldamento, veicoli, produzione chimica o altre applicazioni.

In teoria, i PCEC dovrebbero funzionare in modo più efficiente a una gamma più ampia di temperature rispetto a tipi simili di celle elettrochimiche. Ma fino ad ora, i ricercatori non sono riusciti a realizzare il potenziale teorico della tecnologia.

"I PCEC dovrebbero funzionare bene grazie alla loro elevata conduttività e alla piccola energia di attivazione associata", ha affermato Dong Ding, un illustre ingegnere/scienziato del personale dell'INL. "Tuttavia, abbiamo scoperto che la loro performance attuale è inferiore a quella che ci aspettavamo e il nostro team di INL si è dedicato a capirne il motivo dal 2017."

Il team ha deciso di risolvere il mistero misurando il modo in cui i protoni (atomi di idrogeno caricati positivamente) scorrevano attraverso l'interfaccia elettrodo/elettrolita. Abbastanza sicuro, l'interfaccia era il problema. In particolare, Wei Wu, ricercatore di ingegneria dei materiali presso l'INL, sospettava che l'elettrodo e l'elettrolita non fossero legati abbastanza strettamente.

Ding ei suoi colleghi hanno utilizzato un semplice trattamento acido per legare l'elettrodo all'elettrolita, consentendo un trasferimento di energia più efficiente. "Il semplice trattamento con acido può ringiovanire la superficie del PCEC, per aiutarlo a raggiungere le massime prestazioni", ha affermato Wenjuan Bian, un borsista post-dottorato e collaboratore principale di questo progetto. "Questo approccio può essere facilmente ampliato e integrato per la produzione di grandi celle e stack"

Dopo un attento esame, i ricercatori hanno scoperto che il trattamento con acido aumentava l'area di contatto tra l'elettrodo e l'elettrolita, irruvidindo la superficie più o meno allo stesso modo in cui un vasaio irruvidirebbe l'argilla umida di una tazza prima di attaccare il manico.

L'aumento della superficie ha causato un legame più stretto tra elettrodo ed elettrolita che ha consentito un flusso più efficiente di atomi di idrogeno. Inoltre, la stabilità cellulare è migliorata in modo significativo, soprattutto in determinate condizioni estreme.

Questo processo potrebbe aprire le porte a numerose applicazioni di "idrogeno pulito ed ecologico", ha affermato Wu.

"Il PCEC ad alte prestazioni ci consente di spingere la temperatura di esercizio fino a 350 °C", ha affermato Ding. "La temperatura di esercizio ridotta consente materiali più economici per l'assemblaggio su larga scala, compreso lo stack. Ancora più importante, la tecnologia opera all'interno dello stesso intervallo di temperatura di diversi importanti processi industriali attuali, tra cui la produzione di ammoniaca e CO₂ riduzione. L'abbinamento di queste temperature accelererà l'adozione della tecnologia nel settore esistente. In effetti, stiamo accelerando lo scale-up di queste celle all'INL, integrando questa tecnologia nei nostri processi di produzione." + Esplora ulteriormente

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