L’inquinamento ambientale e l’energia pulita a prezzi accessibili sono i due principali obiettivi di sviluppo sostenibile stabiliti dall’Assemblea generale delle Nazioni Unite nel 2015. Tutti i paesi fissano i loro obiettivi per la decarbonizzazione entro il 2050 e l’aumento dell’uso dell’idrogeno verde per ridurre il carico di consumo di elettricità ogni anno. .
Industrie e gruppi di ricerca hanno collaborato congiuntamente per aumentare la produzione di idrogeno verde e ridurre i costi di produzione. Nel 2023, abbiamo notato la crisi energetica globale nella maggior parte dell'Europa durante la guerra, che ha portato a prezzi elevati, alla carenza di gas naturale liquefatto e al peggioramento del cambiamento climatico.
Comunemente, l’idrogeno verde viene generato tramite elettrolizzatori e scissione fotocatalitica dell’acqua. Esistono alcuni ostacoli alla produzione commercializzata di idrogeno verde, come gli elevati costi di produzione, la stabilità del fotocatalizzatore, le prestazioni del catalizzatore e l'uso dell'acqua di mare.
La scissione solare fotocatalitica dell’acqua ha aperto una nuova finestra di opportunità per la produzione di idrogeno verde a basso costo nel rispetto della tutela ambientale. La luce solare è abbondante nell'ambiente e la scelta del corretto fotocatalizzatore stabile, ad alte prestazioni e a lungo termine può migliorare la produzione e abbassare il prezzo dell'idrogeno verde.
In particolare, tutti i fotocatalizzatori disponibili per la produzione di idrogeno mediante scissione dell'acqua sono sotto forma di nanoparticelle in polvere, che causano perdita di metallo e aggressione, con conseguente minore attività fotocatalitica e un impatto sui costi operativi. Inoltre, i sistemi fotocatalizzatori di nanoparticelle in polvere funzionano solo in modalità batch e non sono in grado di controllare il tasso di produzione dell'idrogeno.
Il fotocatalizzatore di nanoparticelle in polvere contiene semiconduttori che possono penetrare nei corpi idrici e danneggiare la piramide ecologica. Sono state proposte strutture metallo-organiche per supportare le nanoparticelle della lega al fine di prevenire l'aggregazione del metallo durante la reazione e potenziare l'attività catalitica.
Il team guidato dal Prof. Kajari Kargupta del laboratorio di nanoingegneria ed energia sostenibile, Dipartimento di ingegneria chimica, Università di Jadavpur, India, ha ora sviluppato un idrogel di alginato organico 3D riciclabile e rispettoso dell’ambiente incapsulato in un fotocatalizzatore a forma di perla. Lo studio è pubblicato sull'International Journal of Hydrogen Energy .
Questi tipi di fotocatalizzatori di idrogel basati su strutture metallo-organiche 3D possono fornire una velocità costante di idrogeno continuo. L'effetto tossico del semiconduttore è ridotto al minimo grazie all'incapsulamento con alginato di sodio, materiale per uso alimentare.
L'alginato di sodio è il biopolimero preferito per le millisfere incapsulate nel fotocatalizzatore. È prodotto commercialmente dall'estratto di alghe brune. Nel corso del tempo, diversi gruppi di ricerca hanno formato diversi compositi metallo-polimero grazie all'immobilizzazione degli ioni metallici durante il processo di gelificazione.
È stato studiato un sistema a flusso continuo a pressione operante sia in modalità batch che continua sotto irradiazione solare a banda intera per una migliore produzione di idrogeno solare dall'acqua utilizzando una nuova millisfera 3D di alginati organici fotocatalizzatore incapsulato in idrogel con elevata capacità di ritenzione idrica. L'attenzione principale è stata rivolta al ruolo del potenziamento dell'adsorbimento della molecola d'acqua sui siti attivi del fotocatalizzatore sulle prestazioni della produzione di idrogeno solare.
Da un punto di vista funzionale, l'aggiunta di alginato di sodio aumenta l'attività del fotocatalizzatore e la capacità di ritenzione idrica, consentendo il processo di generazione continua di idrogeno. Dal punto di vista operativo, la presenza dell'alginato aumenta l'attività del fotocatalizzatore e la capacità di ritenzione idrica, consentendo il processo di generazione costante di idrogeno.
Ogni fotocatalizzatore incapsulato in alginato a forma di perla sferica funziona come un produttore di idrogeno in miniatura o un reattore fotocatalitico. Gli idrogel di alginato hanno inoltre mostrato eccezionali riciclabilità e riutilizzo. La loro ripetibilità sintetica e scalabilità lineare sono confermate dal fatto che la quantità totale di idrogeno generato aumenta linearmente con il numero di sfere incapsulate nel fotocatalizzatore mentre la velocità normalizzata del volume rimane costante.
Il grado di idratazione, sia pre-adsorbimento che dinamico dell’acqua, influenza fortemente la velocità con cui viene prodotto l’idrogeno. Un reattore a flusso viene utilizzato per produrre idrogeno a velocità costante; quando la portata in ingresso scende al di sotto di un valore critico, la velocità di produzione rimane costante, indicando che ciascun catalizzatore sferico funziona come un piccolo generatore di idrogeno.
Il Prof. Kargupta ha esperienza nella trasformazione di prototipi su scala di laboratorio in applicazioni commerciali pratiche, e il nostro team multidisciplinare ha esperienza nella generazione di idrogeno solare, nella fabbricazione di membrane/elettrodi elettrolitici per celle a combustibile e nel sequestro del carbonio. Il team sta cercando di aumentare la capacità dell'idrogeno generato per alimentare le celle a combustibile portatili in aree remote.
La sostanza chimica principale utilizzata per l'incapsulamento del fotocatalizzatore è l'alginato di sodio, considerato un materiale di grado alimentare (emulsionante, stabilizzante, addensante e agente gelificante) dalla Food and Drug Administration statunitense e dalla Commissione Europea. Il fotocatalizzatore a base di idrogel di alginato con un fotoreattore adatto sarà assemblato con celle a combustibile e ad alto accumulo nei prossimi due anni. Abbiamo in programma di collaborare con partner del settore per espandere questo fotocatalizzatore ad alte prestazioni su scala industriale.
Questa storia fa parte di Science X Dialog, dove i ricercatori possono riportare i risultati dei loro articoli di ricerca pubblicati. Visita questa pagina per informazioni su ScienceX Dialog e su come partecipare.
Ulteriori informazioni: Sayantanu Mandal et al, Millisfere di rGO-CdS incapsulate in alginato organico per una straordinaria produzione di idrogeno solare fotocatalitico, International Journal of Hydrogen Energy (2023). DOI:10.1016/j.ijhydene.2023.09.137
La Prof.ssa Kajari Kargupta, Dipartimento di Ingegneria Chimica, Università di Jadavpur, ha conseguito il dottorato di ricerca. su "Instabilità e formazione di pattern in film sottili:ruolo dell'eterogeneità, dell'evaporazione e dello slittamento" nel 1998 presso l'I.I.T. Kanpur. Ha esperienza sui sistemi a film sottile, sulla generazione di pattern, sulla formazione di nanostrutture di diverse morfologie e sulla loro applicazione. Ha completato con successo diversi progetti sponsorizzati da SERB DST, UGC, DBT e DRDO e ha al suo attivo più di 100 pubblicazioni su riviste sottoposte a revisione paritaria. Ha esperienza nella formulazione di materiali nano-ibridi bimetallici a base di grafene di diverse morfologie e nella loro applicazione come catalizzatori, elettrocatalizzatori per la generazione di idrogeno. Come parte di un precedente progetto sponsorizzato dal DST, ha esplorato la sintesi e la caratterizzazione di catalizzatori nanoibridi bimetallici a base di grafene per la generazione di idrogeno dal boroidruro di sodio e dall'elettroossidazione del boroidruro; sulla base della mappatura di composizione-morfologia-prestazioni, è stato esplorato un nuovo catalizzatore nano-ibrido G-Co-Pt con guscio centrale connesso basato su rGO che mostra eccellenti proprietà di trasporto degli elettroni per la generazione di idrogeno, nonché un catalizzatore ORR per ridurre il carico di Pt. Il Dr. Kargupta ha esperienza nella sintesi e caratterizzazione di elettrocatalizzatori per l'elettroossidazione, la reazione di riduzione dell'ossigeno e l'applicazione di celle a combustibile. Ha esplorato la generazione di idrogeno solare fotocatalitica e fotoelettrocatalitica attraverso la scissione dell'acqua; il cui obiettivo è quello di affrontare i principali colli di bottiglia del processo e migliorare l’efficienza dal solare all’idrogeno. Sulla base di simulazioni sperimentali e quantistiche, viene analizzato ed esplorato il ruolo dei catalizzatori nano-ibridi/fotocatalizzatori e dei catalizzatori fotoelettronici. In precedenza, nell'ambito del grande progetto UGC, il Prof. Kargupta ha esplorato diversi elettroliti di membrana nanocompositi inorganici-organici nonché elettroliti di tipo gel portatili, durevoli e conduttivi di protoni, in particolare per l'applicazione portatile di celle a combustibile. Il Prof. Kargupta ha esperienza nella gestione di 10 progetti sponsorizzati come PI e Co-PI. Ha anche lavorato con NMRL, DRDO su un progetto di missione relativo all'applicazione delle celle a combustibile come fornitore di servizi di ricerca.
Il signor Sayantanu Mandal sta attualmente completando il suo dottorato di ricerca. nel Dipartimento di Ingegneria Chimica, Università di Jadavpur, sotto la supervisione del Prof. Kajari Kargupta. Negli ultimi tre anni è stato impegnato nel lavoro sulla generazione di idrogeno e nella fabbricazione di una membrana elettrolitica per celle a combustibile ad alta temperatura. Attualmente è anche PI di un progetto nell'ambito della mappa delle strutture di Indian Science Technology Engineering sotto il governo dell'India (I-STEM) con la sua guida Prof Kajari Kargupta (I-STEM/Catalyticgrant/acad_24/2022-23). È anche membro permanente di alcune delle prestigiose organizzazioni scientifiche globali come l'Associazione Internazionale degli Ingegneri (IAENG) e l'Accademia Internazionale di Scienza e Ingegneria per lo Sviluppo (IASED), Hong Kong. Inoltre fa parte del comitato tecnico del Comitato tecnico di MEAMT 2023, NanoMT 2023 e ICFMCE 2023 in qualità di revisore paritario.
Informazioni sul giornale: Giornale internazionale sull'energia dell'idrogeno
