L’idrogeno verde può essere prodotto attraverso la tecnologia dell’elettrolisi dell’acqua, che utilizza energia rinnovabile per dividere l’acqua in idrogeno e ossigeno senza emettere anidride carbonica. Tuttavia, il costo di produzione dell'idrogeno verde è attualmente di circa 5 dollari al chilogrammo, ovvero da due a tre volte superiore a quello dell'idrogeno grigio ottenuto dal gas naturale.
Per l'uso pratico dell'idrogeno verde, è necessaria l'innovazione nella tecnologia dell'elettrolisi dell'acqua per la realizzazione dell'economia dell'idrogeno, in particolare per la Corea, dove l'utilizzo dell'energia rinnovabile è limitato per motivi geografici.
Il gruppo di ricerca del Dr. Kyung Joong Yoon presso il Centro di ricerca sui materiali energetici del Korea Institute of Science and Technology (KIST) ha sviluppato un nanocatalizzatore per l'elettrolisi dell'acqua ad alta temperatura in grado di trattenere un'elevata densità di corrente superiore a 1 A/cm 2 per un lungo periodo di tempo a temperature superiori a 600°. Il lavoro è pubblicato sul Chemical Engineering Journal .
Sebbene i meccanismi di degradazione dei nanomateriali ad alte temperature siano stati finora sfuggenti, il team ha identificato le ragioni fondamentali del comportamento anomalo dei nanomateriali e ha risolto con successo i problemi, migliorando infine le prestazioni e la stabilità in celle realistiche di elettrolisi dell'acqua.
La tecnologia dell'elettrolisi può essere classificata in elettrolisi a bassa e ad alta temperatura. Mentre l'elettrolisi a bassa temperatura che opera a temperature inferiori a 100° Celsius è stata sviluppata da tempo ed è tecnologicamente più matura, l'elettrolisi ad alta temperatura che opera a temperature superiori a 600° Celsius offre un'efficienza maggiore ed è considerata una tecnologia di prossima generazione con un forte potenziale di ulteriori costi -giù.
Tuttavia, la sua commercializzazione è stata ostacolata dalla mancanza di stabilità termica e dalla durata di vita insufficiente a causa del degrado alle alte temperature, come la corrosione e la deformazione strutturale. In particolare, i nanocatalizzatori, ampiamente utilizzati per migliorare le prestazioni degli elettrolizzatori dell'acqua a bassa temperatura, si deteriorano rapidamente a temperature operative elevate, rendendo difficile il loro utilizzo efficace per l'elettrolisi dell'acqua ad alta temperatura.
Per superare questa limitazione, il team ha sviluppato una nuova tecnica sintetica di nanocatalizzatore che sopprime la formazione di composti dannosi che causano la degradazione alle alte temperature.
Analizzando sistematicamente i fenomeni su scala nanometrica utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione, i ricercatori hanno identificato sostanze specifiche che causano gravi alterazioni strutturali, come il carbonato di stronzio e l'ossido di cobalto, e le hanno rimosse con successo per ottenere nanocatalizzatori altamente stabili, in termini di proprietà chimiche e fisiche.
Quando il team ha applicato il nanocatalizzatore a una cella di elettrolisi dell’acqua ad alta temperatura, ha più che raddoppiato la velocità di produzione di idrogeno e ha funzionato per più di 400 ore a 650° senza degradazione. Questa tecnica è stata applicata con successo anche a una pratica cella di elettrolisi dell'acqua di grandi dimensioni, confermando il suo forte potenziale per l'espansione e l'uso commerciale.
"I nostri nanomateriali di nuova concezione hanno raggiunto sia prestazioni elevate che stabilità per la tecnologia dell'elettrolisi dell'acqua ad alta temperatura e possono contribuire a ridurre i costi di produzione dell'idrogeno verde, rendendolo economicamente competitivo con l'idrogeno grigio in futuro", ha affermato il dott. Kyungjoong Yoon di KIST.
"Per la commercializzazione, prevediamo di sviluppare tecniche di lavorazione automatizzate per la produzione di massa in collaborazione con i produttori di celle industriali."
Ulteriori informazioni: Mi Young Park et al, Sintesi in situ di nanocatalizzatori di perovskite estremamente piccoli e termicamente stabili per dispositivi di energia elettrochimica ad alta temperatura, Chemical Engineering Journal (2023). DOI:10.1016/j.cej.2023.146924
Informazioni sul giornale: Giornale di ingegneria chimica
Fornito dal Consiglio Nazionale delle Ricerche di Scienza e Tecnologia
