I ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e della Stanford University hanno dimostrato per la prima volta che un catalizzatore economico può scindere l'acqua e generare idrogeno per ore e ore nell'ambiente ostile di un dispositivo commerciale.

La tecnologia dell'elettrolizzatore, che si basa su una membrana elettrolitica polimerica (PEM), ha il potenziale per la produzione di idrogeno su larga scala alimentata da energia rinnovabile, ma è stato in parte frenato dall'alto costo dei catalizzatori di metalli preziosi, come platino e iridio, necessari per aumentare l'efficienza delle reazioni chimiche.

Questo studio indica la strada verso una soluzione più economica, i ricercatori hanno riferito oggi in Nanotecnologia della natura .

"Il gas idrogeno è una sostanza chimica industriale di enorme importanza per la produzione di carburante e fertilizzanti, tra l'altro, " ha detto Tommaso Jaramillo, direttore del SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, che ha guidato il gruppo di ricerca. "È anche un pulito, molecola ad alto contenuto energetico che può essere utilizzata nelle celle a combustibile o per immagazzinare energia generata da fonti di energia variabili come solare ed eolica. Ma la maggior parte dell'idrogeno prodotto oggi è prodotto con combustibili fossili, aumentando il livello di CO2 nell'atmosfera. Abbiamo bisogno di un modo economico per produrlo con energia pulita".

Dal metallo costoso a quello economico, materiali abbondanti

C'è stato un ampio lavoro nel corso degli anni per sviluppare alternative ai catalizzatori di metalli preziosi per i sistemi PEM. Molti hanno dimostrato di lavorare in un ambiente di laboratorio, ma Jaramillo ha affermato che, per quanto ne sa, questo è il primo a dimostrare prestazioni elevate in un elettrolizzatore commerciale. Il dispositivo è stato prodotto da un sito di ricerca sull'elettrolisi PEM e da una fabbrica nel Connecticut per Nel Hydrogen, il più antico e grande produttore al mondo di apparecchiature per elettrolizzatori.

L'elettrolisi funziona come una batteria al contrario:invece di generare elettricità, utilizza la corrente elettrica per dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno. Le reazioni che generano idrogeno e ossigeno hanno luogo su diversi elettrodi utilizzando diversi catalizzatori di metalli preziosi. In questo caso, il team di Nel Hydrogen ha sostituito il catalizzatore di platino sul lato generatore di idrogeno con un catalizzatore costituito da nanoparticelle di fosfuro di cobalto depositate su carbonio per formare una polvere nera fine, che è stato prodotto dai ricercatori di SLAC e Stanford. Come altri catalizzatori, riunisce altre sostanze chimiche e le incoraggia a reagire.

Il catalizzatore fosfuro di cobalto ha funzionato molto bene per l'intera durata del test, più di 1, 700 ore, un'indicazione che potrebbe essere abbastanza resistente per l'uso quotidiano in reazioni che possono aver luogo a temperature elevate, pressioni e densità di corrente e in condizioni estremamente acide per lunghi periodi di tempo, disse McKenzie Hubert, uno studente laureato nel gruppo di Jaramillo che ha condotto gli esperimenti con Laurie King, un ingegnere di ricerca SUNCAT che da allora è entrato a far parte della facoltà della Manchester Metropolitan University.

"Il nostro gruppo ha studiato per un po' questo catalizzatore e i materiali correlati, "Uberto ha detto "e l'abbiamo preso da una scala di laboratorio fondamentale, fase sperimentale mediante test in condizioni operative industriali, dove è necessario coprire una superficie molto più ampia con il catalizzatore e deve funzionare in condizioni molto più difficili."

Uno degli elementi più importanti dello studio è stato l'aumento della produzione del catalizzatore di fosfuro di cobalto mantenendolo molto uniforme, un processo che ha comportato la sintesi del materiale di partenza sul banco di laboratorio, grinding with a mortar and pestle, baking in a furnace and finally turning the fine black powder into an ink that could be sprayed onto sheets of porous carbon paper. The resulting large-format electrodes were loaded into the electrolyzer for the hydrogen production tests.

Producing hydrogen gas at scale

While the electrolyzer development was funded by the Defense Department, which is interested in the oxygen-generating side of electrolysis for use in submarines, Jaramillo said the work also aligns with the goals of DOE's H2@Scale initiative, which brings DOE labs and industry together to advance the affordable production, trasporto, storage and use of hydrogen for a number of applications, and the fundamental catalyst research was funded by the DOE Office of Science.

Katherine Ayers, vice president for research and development at Nel and a co-author of the paper, disse, "Working with Tom gave us an opportunity to see whether these catalysts could be stable for a long time and gave us a chance to see how their performance compared to that of platinum.

"The performance of the cobalt phosphide catalyst needs to get a little bit better, and its synthesis would need to be scaled up, " she said. "But I was quite surprised at how stable these materials were. Even though their efficiency in generating hydrogen was lower than platinum's, it was constant. A lot of things would degrade in that environment."

While the platinum catalyst represents only about 8 percent of the total cost of manufacturing hydrogen with PEM, the fact that the market for the precious metal is so volatile, with prices swinging up and down, could hold back development of the technology, Ayers said. Reducing and stabilizing that cost will become increasingly important as other aspects of PEM electrolysis are improved to meet the increasing demand for hydrogen in fuel cells and other applications.