Il gas idrogeno è un'alternativa pulita e rinnovabile ai combustibili fossili, ma gli attuali metodi di produzione industriale utilizzati per produrre l'idrogeno rilasciano carbonio nell'atmosfera e inquinano l'ambiente.
Un nuovo catalizzatore, un composto di carbonio nichel-ferro-molibdeno-fosfuro ancorato su schiuma di nichel (NiFeMo-P-C), ha ridotto significativamente la quantità di elettricità necessaria per generare sia idrogeno che ossigeno dall'acqua, fornendo un mezzo pulito ed efficiente per produrre idrogeno gassoso. .
Un team di importanti ingegneri chimici ha sintetizzato un catalizzatore economico e di facile produzione progettato per ridurre la quantità di energia richiesta per l'elettrolisi dell'acqua, che divide le molecole d'acqua in idrogeno e ossigeno utilizzando l'elettricità.
L'idrogeno e l'ossigeno vengono separati dall'acqua rispettivamente attraverso la reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER) e la reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER). La lega di metalli di transizione, o miscela contenente almeno un metallo, nichel-ferro-molibdeno (NiFeMo), è stata utilizzata come catalizzatore per l'elettrolisi dell'acqua a causa del riempimento incompleto degli orbitali elettronici negli atomi dei metalli di transizione nichel e ferro, rendendola un elettrone ideale donatore e accettore nelle reazioni chimiche. Il fosfuro è stato aggiunto al catalizzatore per migliorare la resistenza alla corrosione in una soluzione elettrolitica alcalina o a pH basico.
Il team ha pubblicato i risultati del proprio studio su Nano Research Energy il 7 luglio.
"L'idrogeno è riconosciuto come l'alternativa ideale ai combustibili fossili grazie alla sua elevata... densità energetica, elevata efficienza di conversione del calore e zero emissioni di carbonio. Tuttavia, i metodi di produzione dell'idrogeno comunemente applicati nell'industria, compreso lo steam reforming del gas naturale e del metanolo e la gassificazione dell'idrogeno carbone, consumano combustibili fossili e provocano un grave inquinamento dell'ambiente", ha affermato Jingjing Tang, supervisore dello studio e professore associato presso la Central South University di Changsha, in Cina.
"L'elettrolisi dell'acqua utilizza l'acqua come materia prima per produrre idrogeno di elevata purezza convertendo l'elettricità in energia chimica, che è una tecnologia di produzione dell'idrogeno pulita e promettente", ha affermato Tang.
I catalizzatori utilizzati per ridurre l’energia richiesta sia per HER che per OER esistevano già in precedenza, ma utilizzavano platino e ossido di iridio, elementi preziosi che sono sia costosi che scarsi. La creazione di un catalizzatore conveniente che riduca l'energia di attivazione di entrambe le reazioni riduce i costi di produzione complessivi e migliora la fattibilità commerciale della produzione di gas idrogeno pulito.
Una sfida nella progettazione di un catalizzatore bifunzionale sono stati i requisiti speciali dell'OER. "Poiché l'OER è una reazione di trasferimento di quattro elettroni con una cinetica lenta, generalmente funziona meglio in una soluzione alcalina. Era fondamentale ricercare elettrocatalizzatori non nobili a base metallica con eccellenti prestazioni bifunzionali in un elettrolita alcalino", ha affermato Codolo. Il team ha creato la lega e il fosfuro metallico per mantenere l'integrità del catalizzatore in queste condizioni alcaline.
Per testare la composizione e lo stato di valenza del catalizzatore NiFeMo-P-C generato, il team ha sottoposto il composto alla misurazione della spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) per confermare la presenza di Ni, Fe, Mo, P, C e O. lo spettro di risoluzione del nichel ha identificato anche le orbite di spin 2p3/2 e 2p1/2, che si riferiscono allo stato degli elettroni negli atomi di nichel del catalizzatore.
Nel complesso, l'elettrocatalizzatore NiFeMo-P-C di nuova concezione richiede sovrapotenziali molto bassi, o energia necessaria per dividere l'acqua, per HER (87 mV per ottenere una densità di corrente di 10 mA·cm –2 ) e OER (196 mV per ottenere una densità di corrente di 10 mA·cm –2 ). Anche la tensione della cella, o differenza di tensione tra due elettrodi, richiesta per l'elettrolisi dell'acqua utilizzando il catalizzatore è di soli 1,50 V a 10 mA·cm –2 .
Il team è ottimista sul fatto che la loro scoperta renderà la produzione di idrogeno pulito una realtà. "A differenza della maggior parte dei catalizzatori bifunzionali, NiFeMo-P-C può raggiungere eccellenti prestazioni catalitiche senza complicate fasi di preparazione e nanostrutture elaborate. Inoltre, la durata superiore senza alcuna attenuazione [della tensione] entro 50 ore... rende NiFeMo-P-C un ideale [metallo non prezioso catalizzatore] candidato... per la produzione di idrogeno su larga scala", ha affermato Tang.
Altri contributori includono Xiangyang Zhou, Tingting Yang, Ting Li, Youju Zi, Sijing Zhang, Lei Yang, Yingkang Liu e Juan Yang della School of Metallurgy and Environment presso la Central South University di Changsha, Cina.
Ulteriori informazioni: Xiangyang Zhou et al, Fabbricazione in situ del composto di carbonio NiFeMo-P ancorato su schiuma di nichel come catalizzatore bifunzionale per aumentare la scissione complessiva dell'acqua, Nano Research Energy (2023). DOI:10.26599/NRE.2023.9120086
Fornito dalla Tsinghua University Press
