La produzione di idrogeno elettrolitico comporta la generazione di idrogeno dall'acqua utilizzando energia elettrica, che idealmente dovrebbe provenire da fonti di energia rinnovabili come la luce solare e il vento. Sebbene questo metodo di produzione dell'idrogeno possa essere una soluzione molto promettente per aumentare la sostenibilità, ma i ricercatori dovranno superare diverse sfide chiave affinché si diffonda.

In un recente studio presentato in Energia della natura , un team di ricercatori del Technion-Israel Institute of Technology ha affrontato alcune di queste sfide, presentando una nuova tecnica per la scissione dell'acqua che potrebbe migliorare i metodi di produzione dell'idrogeno elettrolitico esistenti. La loro ricerca trae ispirazione da uno dei loro precedenti studi sulla scissione fotoelettrochimica dell'acqua (PEC), in cui hanno cercato di combinare l'energia solare e la (foto)elettrolisi dell'acqua per generare idrogeno dalla luce solare e dall'acqua.

Una delle maggiori sfide delineate in questo lavoro precedente è stata la raccolta di gas idrogeno da milioni di celle PEC distribuite nel campo solare. Nel loro studio, i ricercatori di Technion hanno cercato di sviluppare una tecnica che potesse affrontare efficacemente questa sfida.

"Prendendo gli impianti solari fotovoltaici (FV) come scenario di base, il parco solare è composto da milioni di singole celle fotovoltaiche, dove la corrente (e la tensione) viene raccolta da ciascuno di essi in una griglia metallica, "Avner Rothschild, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a TechXplore. "Questo è facile con l'elettricità, ma non così con il gas idrogeno."

In un impianto solare PEC ideale del futuro, Le celle fotovoltaiche sarebbero sostituite da celle PEC, che può produrre idrogeno in un componente noto come compartimento catodico, e ossigeno in una camera separata chiamata compartimento anodico. Questi due scomparti dovrebbero essere separati, almeno da una membrana, al fine di garantire che l'idrogeno e l'ossigeno non si mescolino, in quanto ciò provocherebbe un'esplosione. Inoltre, il gas idrogeno deve essere raccolto da ogni singola cella.

La creazione di questa configurazione si è finora rivelata tecnicamente difficile e costosa, in quanto richiede un collettore di tubazioni molto costoso. In definitiva, ciò ha reso irrealistica la realizzazione di soluzioni per la produzione di idrogeno su larga scala mediante la scissione dell'acqua PEC.

"Abbiamo cercato una via d'uscita da questa sfida, e ha avuto l'idea di separare i compartimenti di ossigeno e idrogeno nella cella PEC in due celle separate, in modo che l'ossigeno si generi nel campo solare e venga rilasciato nell'atmosfera, considerando che l'idrogeno viene generato in un reattore centrale all'angolo del campo, " ha detto Rothschild. "La separazione in due celle è resa possibile inserendo un altro set di due elettrodi, chiamati elettrodi ausiliari, che vengono caricati e scaricati contemporaneamente da OH ^- ioni coinvolti nella reazione di scissione dell'acqua, mediando così lo scambio ionico tra le due celle (necessario per chiudere il circuito elettrico)."

Nel loro precedente articolo, pubblicato in Materiali della natura , Rothschild ei suoi colleghi hanno presentato un nuovo approccio dirompente per le architetture di elettrolisi dell'acqua (elettrolizzatori) e fotoelettrolisi (PEC). Questo approccio promettente, però, ha introdotto un'altra sfida per rigenerare gli elettrodi ausiliari quando si saturano alla fine di un ciclo di produzione. I ricercatori hanno suggerito che gli elettrodi potrebbero essere scambiati alla fine di ogni ciclo, ma questo sarebbe piuttosto ingombrante, così hanno continuato a esplorare soluzioni alternative.

"Abbiamo poi scoperto che quando si riscalda l'elettrodo ausiliario nella cella a idrogeno, dopo che è stato caricato (per diventare NiOOH), rilascia spontaneamente bolle di ossigeno e si rigenera allo stato iniziale (Ni(OH) ₂ ), " Ha detto Rothschild. "Questa scoperta ha portato allo sviluppo del processo di scissione dell'acqua E-TAC che viene presentato nel presente lavoro".

E-TAC, la nuova tecnica di scissione dell'acqua proposta da Rothschild e dai suoi colleghi, ha un'elevata efficienza energetica del 98,7 percento, quindi supera significativamente gli elettrolizzatori convenzionali, che in genere hanno un'efficienza energetica compresa tra circa il 70 e l'80 percento per i dispositivi all'avanguardia. Un ulteriore vantaggio di E-TAC è che produce idrogeno e ossigeno in sequenza, mentre nella maggior parte degli altri elettrolizzatori, sono prodotti contemporaneamente. Ciò elimina in definitiva la necessità di una membrana che separi i gas di idrogeno e ossigeno, semplificando così notevolmente la costruzione e il montaggio delle celle, così come il loro funzionamento e la loro manutenzione.

"Potenzialmente, questo potrebbe tradursi in grandi risparmi sui costi di capitale e operativi, portando allo sviluppo di una tecnologia di scissione dell'acqua conveniente che possa competere con SMR (riforma del metano a vapore), offrendo idrogeno economico senza CO ₂ emissioni, a condizione che l'elettricità provenga da fonti rinnovabili come l'energia idroelettrica, energia solare o eolica, " ha detto Rothschild.

Nell'elettrolisi dell'acqua convenzionale, idrogeno e ossigeno sono sempre prodotti contemporaneamente nei compartimenti del catodo e dell'anodo, rispettivamente. Gli scomparti sono posizionati il ​​più vicino possibile l'uno all'altro, per ridurre al minimo le perdite ohmiche elettriche, e sono separati da una membrana per evitare la creazione di un esplosivo H ₂ /O ₂ miscela.

"Il catodo riduce l'acqua, generazione di idrogeno (H ₂ molecole) e ioni idrossido (OH ^- ) attraverso una reazione nota come HER (reazione di evoluzione dell'idrogeno), " Disse Rothschild. "L'OH ^- gli ioni migrano all'anodo attraverso l'elettrolita e attraverso la membrana, dove vengono ossidati attraverso l'OER (reazione di evoluzione dell'ossigeno). Insieme, queste due reazioni (HER e OER) completano la reazione di scissione dell'acqua:2H ₂ O2H ₂ + O ₂ ."

Nell'elettrolisi dell'acqua convenzionale, le due reazioni elettrochimiche descritte da Rothschild sono accoppiate sia nel tempo che nello spazio, mentre si verificano contemporaneamente, nella stessa cella e nelle immediate vicinanze. Inoltre, queste caratteristiche sono le stesse sia che il processo sia applicato ad elettrolizzatori alcalini o PEM.

A differenza di questo approccio tradizionale all'elettrolisi dell'acqua, il processo di scissione dell'acqua ideato dai ricercatori disaccoppia le reazioni HER e OER, che invece si verificano in momenti diversi e potenzialmente in parti diverse di un dispositivo. Piuttosto che essere continuo, perciò, E-TAC può essere descritto come un "processo batch" con due cicli, il primo generando idrogeno elettrochimicamente e il secondo ossigeno tramite una reazione chimica spontanea.

"Posizioniamo il catodo (lo stesso catodo utilizzato nell'elettrolisi alcalina) e l'anodo (che è diverso dall'anodo nell'elettrolisi convenzionale) in una cella elettrolitica e facciamo passare corrente tra di loro, " ha detto Rothschild. "Il catodo genera idrogeno attraverso la reazione HER, proprio come nel caso dell'elettrolisi dell'acqua convenzionale, ma l'anodo fa una cosa completamente diversa. L'anodo si carica essenzialmente assorbendo l'OH ^- ioni che si generano al catodo, e trasformarsi gradualmente da Ni(OH) ₂ (idrossido di nichel) a NiOOH (ossiidrossido di nichel)."

interessante, la reazione prodotta nell'anodo è la stessa che avviene al catodo delle batterie alcaline (es. batterie Ni-MH) mentre sono in carica. Ciò suggerisce che può funzionare bene per molti cicli, proprio come nelle batterie alcaline.

Qualche volta, però, la carica dell'anodo nel processo E-TAC deve essere interrotta, perché se viene sovraccaricato, potrebbe iniziare a generare ossigeno. Quando la carica supera un certo livello, perciò, i ricercatori devono limitare la tensione applicata alle celle per evitare possibili esplosioni derivate dalla cogenerazione di ossigeno e idrogeno.

"Per continuare il processo E-TAC, dobbiamo quindi rigenerare l'anodo carico (NiOOH) al suo stato iniziale (Ni(OH) ₂ ), " ha spiegato Rothschild. "Lo facciamo aumentando la sua temperatura, accelerando così la velocità della reazione chimica spontanea tra l'anodo carico e l'acqua, che rilascia ossigeno e rigenera l'anodo al suo stato iniziale."

The technique devised by Rothschild and his colleagues thus entails the use of heat to control the chemical reaction that generates oxygen, as the rate of the reaction slows down at low temperatures and accelerates at high temperatures. The generation of hydrogen occurs at a low or ambient temperature, and the generation of oxygen at high temperatures around 95 degrees Celsius. This is why the researchers decided to call it the E-TAC process, which stands for electrochemical-thermally activated chemical process.

"In the proof-of-concept lab tests presented in our article, we manually moved the anode from the cold cell (i.e. a glass beaker filled with alkaline aqueous solution at ambient temperature) to the hot cell (i.e. the same type of beaker, but heated to 95 degrees Celsius), so the separation between hydrogen and oxygen generation was not only in time but also in place, " Rothschild explained. "However, in a real-world industrial system, we foresee a different scenario in which the two electrodes (anode and cathode) and stationary (not moving), whereas the cell in which they are is filled sequentially with cold or hot electrolyte solutions."

Separating the production of hydrogen and oxygen, which removes the need for a membrane separating the two different chambers inside electrolytic cells, results in substantial savings over traditional electrolysis approaches. Infatti, sealing the membrane is generally expensive and also complicates the overall production process. The membrane in conventional systems requires high-purity water and ongoing maintenance, all of which are unnecessary in E-TAC.

Inoltre, the technique devised by Rothschild and his colleagues entirely eliminates the risk of volatile encounters between oxygen and hydrogen, as well as resulting explosions. In traditional systems, d'altra parte, this risk is still present, as the membrane could rip or its seal could break.

"Attualmente, the use of membranes also limits the pressure in hydrogen production, " Rothschild said. "E-TAC renders the membrane unnecessary, thus facilitating hydrogen production under much higher pressure and eliminating some of the high costs of compressing the hydrogen later. Inoltre, in the new process we proposed, oxygen is produced via a spontaneous chemical reaction between the charged anode and the water, without using an electrical current. This reaction eliminates the need for electricity during oxygen production and increases energetic efficiency from ~70 to 80 percent using customary methods to an unprecedented 98.7 percent."

The technique developed by Rothschild and his colleagues could lower operating costs of sustainable hydrogen production and equipment costs. The researchers have estimated that the production costs for equipment based on E-TAC would be approximately half of those for existing technologies.

"The process we invented presents a conceptual breakthrough in water splitting, and in view of the advantages it offers, it may become a game-changer and lead to a new technology for hydrogen production from water without CO ₂ emissioni, which could compete with SMR to produce clean hydrogen and enable the transition from fossil fuels to clean hydrogen fuel, " Rothschild said.

After they finished writing their paper, the researchers at Technion patented their invention and founded a start-up called H ₂ Pro, with the mission of developing and distributing new water splitting technology based on the E-TAC technique. They hope to soon commercialize this technology by scaling-up the electrodes and cells used in their study, constructing and testing hydrogen generators based on the E-TAC water-splitting process, optimizing their operation scheme and examining high-pressure hydrogen production.

"We also plan to carry out further academic research to study new electrode materials and apply advanced analytical methods to understand the correlations between electrode composition and microstructure and its function properties, in order to develop the next generation of Ni(OH) ₂ -based electrodes for our E-TAC water-splitting process, " Rothschild said. "Our goal is to improve their capacity (so that we can run longer processes) with fast charging and regeneration rates to enable high hydrogen production rates."

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