L'imaging spettroscopico dimostra la transizione di fase dell'OH- in ossigeno attraverso il materiale dell'elettrodo di nuova concezione di doppio idruro a strati di benzoato-nichel-ferro su tela di carbonio (BZ-NiFe-LDH/CC). Credito:Nano Research Energy
L'acqua di mare potrebbe essere l'alimentazione perfetta per il carburante sostenibile:è rinnovabile, abbondante, economica e contiene esattamente gli ingredienti giusti per produrre idrogeno di alta qualità. Lo svantaggio è che contiene ingredienti meno desiderabili, come il cloro, che ostacolano la tecnologia di conversione. Un team di ricerca internazionale potrebbe aver sviluppato una piattaforma di elaborazione alternativa che raccoglie tutti i vantaggi senza i problemi causati dal cloro dei tentativi precedenti.
Hanno pubblicato i loro risultati il 6 settembre 2022 in Nano Research Energy .
"L'elettrolisi dell'acqua di mare è un approccio estremamente interessante per la raccolta di energia pulita dell'idrogeno, ma le specie dannose di cloro, come il cloruro o l'ipoclorito, causano una grave corrosione all'anodo", ha affermato l'autore corrispondente Xuping Sun, professore all'Università di scienza e tecnologia elettronica della Cina e alla Shandong Normal University.
L'elettrolisi comporta l'applicazione di una carica elettrica all'acqua e la scissione dei suoi costituenti, producendo idrogeno e ossigeno. L'idrogeno può essere utilizzato come combustibile pulito che emette solo acqua mentre brucia, invece della nociva anidride carbonica rilasciata dai combustibili fossili. Il catodo, o elettrodo negativo, attrae l'OH - e li aiuta a ridursi nelle molecole bersaglio di due atomi di idrogeno.
Contemporaneamente, l'anodo, o elettrodo positivo, attira le molecole caricate negativamente e fornisce loro elettroni, provocandone l'ossidazione. Nell'elettrolisi dell'acqua di mare, tuttavia, l'anodo attira anche elementi di cloro carichi negativamente, che competono con l'OH - e può corrodere l'elettrodo oltre l'uso.
Gli elettrodi utilizzati nell'elettrolisi possono essere costituiti da una varietà di ossidi di metalli nobili, ossidi senza metalli nobili e ossidi multimetallici, secondo Sun, ma quasi tutti provocano la stessa competizione e problemi di corrosione con il cloruro.
"Tra le opzioni di materiale, i doppi idrossidi stratificati sono verificati come un'alternativa promettente per le reazioni desiderate grazie alla loro composizione regolabile, ai costi inferiori e alle buone attività catalitiche", ha affermato Sun.
L'immagine illustra la struttura del materiale BZ-NiFe-LDH/CC e come gli idrossidi penetrano nello strato amorfo per reagire, mentre i cloruri vengono respinti. Credito:Nano Research Energy
I materiali a doppio idrossido stratificati sono cristalli lamellari simili a brucite composti da strati ospiti positivi e interstrati di bilanciamento della carica. Questi due strati racchiudono acqua e particelle attratte negativamente, come il cloruro.
"Precedenti ricerche nel nostro gruppo e in altri hanno dimostrato che i doppi idruri a strati di nichel-ferro offrono un'attività catalitica promettente e reazioni di ossidazione selettiva, ma la durata del materiale richiede un miglioramento", ha affermato Sun. "Questo potrebbe essere fatto inibendo reazioni collaterali, come la corrosione del cloruro, e migliorando lo scambio di OH - , ma su questo materiale raramente è stata raggiunta una stabilità a lungo termine di almeno 100 ore per una densità di corrente elevata."
Per ottenere un elettrodo più stabile, i ricercatori hanno sviluppato una matrice a doppio idruro a strati di nichel-ferro su tela di carbonio, con particelle di benzoato, meglio conosciuto come conservante alimentare se usato con sodio, inserite negli strati.
"In questo lavoro, riportiamo che l'approccio consente di ottenere un'elettrolisi di ossidazione dell'acqua di mare efficiente e stabile", ha affermato Sun. "È interessante notare che gli ioni benzoato caricati negativamente non solo agiscono come un inibitore di corrosione con resistenza contro la (elettro)chimica dannosa del cloro, ma anche come un accettore di protoni per alleviare la caduta di pH della soluzione locale attorno all'elettrodo a doppio idruro stratificato."
Inoltre, gli ioni benzoato espandono anche la spaziatura tra gli strati del materiale, consentendo agli elettroliti di penetrare e diffondersi attraverso di esso. La piattaforma può eseguire un'elettrolisi soddisfacente ininterrotta per 100 ore senza subire evidenti cambiamenti strutturali, secondo Sun.
"Questo progetto soddisfa con successo le molteplici esigenze di un anodo verso un'ossidazione dell'acqua di mare efficiente e stabile", ha affermato Sun. "Questo lavoro non solo ci fornisce un solido catalizzatore per l'elettrolisi di ossidazione dell'acqua di mare ad alta attività, ma può anche aprire una strada entusiasmante per l'ingegneria delle superfici di materiali catalitici anodici con una maggiore durata". + Esplora ulteriormente
