L'iridio è un catalizzatore ideale per la produzione elettrolitica di idrogeno dall'acqua, ma è estremamente costoso. Ma ora un nuovo tipo di elettrodo in materiale altamente poroso fa un ottimo lavoro con solo un pizzico di iridio.

Oggi, la strada maestra per l'efficace elettrolisi dell'acqua per la produzione di idrogeno gassoso nei cosiddetti elettrolizzatori a membrana a scambio protonico (PEM) consiste nel ridurre la quantità di iridio, metallo nobile, cataliticamente altamente attivo, e allo stesso tempo mantenere la produzione di idrogeno. In questo tipo di cella elettrolizzatore gli ioni idrogeno migrano attraverso una membrana a scambio protonico dall'anodo che produce ossigeno al catodo che produce idrogeno. La tecnica a membrana offre molti vantaggi. La stessa membrana rivestita di catalizzatore è molto sottile, che rende la stessa cella elettrolitica piccola e più versatile, e l'assenza di un elettrolita liquido significa che l'intero sistema non richiede praticamente alcuna manutenzione. Tali celle consentono anche la produzione di idrogeno a pressioni elevate facilitando e riducendo la richiesta di energia per un ulteriore stoccaggio come gas compresso. Infine, il funzionamento a carico dinamico è possibile con la tecnologia PEM per reagire alle fluttuazioni della corrente disponibile in pochi secondi, il che lo rende adatto all'accoppiamento con fonti di energia rinnovabile.

Ma la tecnologia ha anche un grosso svantaggio. La formazione di ossigeno all'anodo dipende dall'uso di ossido di iridio (IrO2) come catalizzatore. L'IrO2 è un promotore molto stabile ed efficiente di questa reazione. Il problema è che l'iridio stesso è più raro dell'oro o persino del platino, ed è almeno altrettanto costoso di quest'ultimo. Sono stati fatti molti tentativi per trovare un'alternativa, ma nulla di ancora testato si avvicina alla stabilità a lungo termine e all'attività catalitica dell'ossido di iridio.

Basta un pizzico di iridio

Ora i chimici di LMU coinvolti nel Cluster of Excellence e-conversion, in collaborazione con un team del Forschungszentrum Jülich, sono riusciti ad aumentare la resa di idrogeno di un fattore otto (rispetto a un elettrodo di riferimento commerciale) utilizzando un materiale nuovo e altamente poroso come catalizzatore. Questo successo implica che dovrebbe essere possibile sviluppare una cella elettrolitica che raggiunga la stessa efficienza degli attuali sistemi a base di iridio ma richieda solo il 10% in più di iridio.

Il nuovo elettrodo è stato sviluppato nell'ambito della rete di ricerca Kopernikus Power-2-X, che è finanziato dal Ministero federale dell'istruzione e della ricerca. Il suo design e le sue caratteristiche prestazionali sono descritte in un articolo pubblicato sulla rivista Materiali funzionali avanzati . Il sistema si avvale di un nuovo supporto ossidativo ad alta porosità su cui l'iridio può essere uniformemente disperso come un film sottile, che è facilmente accessibile alle molecole d'acqua e presenta un'elevata attività catalitica.

Caricamento del catalizzatore in ogni singolo poro

Il team ha prima sintetizzato microparticelle di ossido di stagno drogate con antimonio e nanostrutturate. Queste particelle forniscono un'impalcatura altamente porosa per il legame del catalizzatore di iridio. Hanno quindi preparato una sospensione colloidale acquosa di nanoparticelle di ossido di iridio, che sono stati caricati nelle microparticelle porose mediante una reazione solvotermica ad alta temperatura e pressione. Ciò ha comportato la riduzione delle particelle di ossido di iridio a Ir metallico. Una fase finale di ossidazione termica ha poi portato alla formazione di nanoparticelle di ossido di iridio all'interno dei pori dell'impalcatura metallica. La successiva microscopia elettronica a scansione ha confermato che fino all'ultima cavità nell'impalcatura era rivestita con un film sottile del catalizzatore. - E senza dubbio, gli elettrodi rivestiti con il nuovo materiale hanno superato a pieni voti il ​​test finale. In termini di attività, cioè generazione di idrogeno, l'efficienza per grammo di iridio legato ha superato quella di un PEM disponibile in commercio di non meno di otto volte.

Come sottolinea il primo autore dell'articolo Daniel Böhm, la procedura di sintesi ha un enorme vantaggio. "Ora possiamo concentrarci sull'ottimizzazione di ogni parametro individualmente. I fattori rilevanti che possono essere regolati includono la composizione, struttura e dimensione dei pori del materiale, la sua conduttività e il livello di carico con iridio. Alla fine otterremo un altamente attivo, sistema completamente ottimizzato. Tutti i passaggi del percorso sintetico sono compatibili anche con le esigenze della produzione su scala industriale, quindi l'approccio potrebbe essere maturo per l'applicazione tecnica in un tempo relativamente breve."

Il materiale attualmente utilizzato negli elettrolizzatori commerciali deve soddisfare standard molto elevati per garantire un funzionamento stabile per molti anni. I prossimi progetti che affronteranno questo problema sono già pianificati, afferma la prof.ssa Dina Fattakhova-Rohlfing del Forschungszentrum Jülich. "Primo, vogliamo sintetizzare catalizzatori ancora più stabili con l'ausilio di nuove nanoarchitetture. E poi vorremmo indagare su come si comportano le proprietà di questi materiali quando sottoposti a condizioni operative per periodi di tempo più lunghi".