La diminuzione delle risorse energetiche convenzionali basate sui combustibili fossili e le relative conseguenze ambientali hanno attirato l’attenzione di tutto il mondo verso lo sviluppo delle risorse energetiche rinnovabili. Queste risorse energetiche rinnovabili potrebbero non soddisfare l’intera domanda energetica della popolazione mondiale; tuttavia, limitano gli effetti dei gas serra e dell’inquinamento atmosferico causato dalla combustione di combustibili fossili. Tra le risorse alternative, l'idrogeno è considerato il vettore energetico più pulito.
Tuttavia, l’idrogeno non esiste allo stato puro in natura, come l’ossigeno, e deve essere prodotto da risorse contenenti idrogeno come gas naturale (metano), carbone, biomassa e acqua mediante reforming, decomposizione termica o elettrolisi. Ma la produzione di idrogeno da gas naturale, carbone e biomassa porta all’emissione del gas serra anidride carbonica (CO2 ).
Sappiamo che l'acqua (H2 O) è costituito da atomi di idrogeno e ossigeno; quindi, l’acqua di mare potrebbe essere una fonte illimitata di idrogeno. Pertanto, l’idrogeno è considerato un possibile sostituto dei combustibili fossili. La produzione tramite energia da fonti rinnovabili (utilizzando l'energia eolica, solare, idroelettrica, del moto ondoso o simili) è definita "idrogeno verde". In questo scenario, una delle tecniche proposte è la scissione dell'acqua in idrogeno e ossigeno utilizzando elettricità rinnovabile in un elettrolizzatore sulla superficie di un robusto elettrocatalizzatore.
Nonostante i progressi nel campo, il processo di rilascio dell’acqua per produrre idrogeno verde a prezzi accessibili rimane ancora lento a causa delle limitazioni legate agli elettrocatalizzatori efficienti. In teoria l'acqua si divide a 1,23 V. Ma in pratica questo valore è maggiore di 1,5 V (il che significa ulteriore spreco di energia). Questa energia minima è teoricamente necessaria per rompere la molecola d'acqua. Per questo processo nell'elettrolizzatore vengono utilizzati costosi elettrocatalizzatori a base di metalli nobili e preziosi, ad esempio Pt, Pd, Au, Rh, Ir, ecc.
I principali problemi che l'industria e gli esperti devono affrontare sono l'ossidazione dell'acqua per produrre O2 e la stabilità del catalizzatore in condizioni alcaline industriali difficili. Nel primo problema, la reazione della semicella è una reazione in salita dove sono coinvolti quattro elettroni e dove è richiesta la maggior parte dell'energia a parte la perdita di energia associata alla resistività dei diversi componenti (elettrolita, connessioni, catalizzatore, ecc.) l'elettrolizzatore. Nel secondo problema, i costosi catalizzatori spesso perdono la loro attività a causa del degrado superficiale. In queste condizioni, per tale reazione di scissione dell'acqua è necessario un elettrocatalizzatore economico ed economico ma allo stesso tempo altamente attivo e stabile.
In uno studio recente, il nostro team, guidato da Sasanka Deka, ha progettato e sviluppato un nuovo elettrocatalizzatore basato su nanocompositi, altamente efficiente, ma comunque conveniente per la scissione complessiva dell’acqua. Un nanocomposito è una miscela omogenea di due o più materiali presenti nella gamma dei nanometri. Il presente nanocomposito è una nanoarchitettura basata su nanoparticelle deallate di NiCu su nanofogli gerarchici di Co. I nostri risultati sono pubblicati sulla rivista ACS Catalysis .
I materiali utilizzati sono più economici dei metalli preziosi e il procedimento di sintesi è molto conveniente. Questo nuovo catalizzatore è stato utilizzato in un elettrolizzatore con elettrolita di idrossido di potassio (KOH) per la scissione dell'acqua. È interessante notare che il sistema mostra la scissione dell'acqua e la produzione di gas idrogeno utilizzando l'elettrocatalizzatore NiCu/Co con una tensione della cella di 1,46 V. Pertanto, l'elettrocatalizzatore è in grado di scindere l'acqua utilizzando solo una batteria domestica da 1,5 volt.
Altri punti chiave dell'elettrocatalizzatore NiCu/Co sono che la produzione di idrogeno verde avviene con un'elevata densità di corrente di importanza industriale, un'elevata stabilità (6.000 cicli) e una durata (60 ore) del catalizzatore. Funziona anche con un elettrolita industriale con il 30% in peso di elettrolita KOH e la tensione della cella offerta è molto inferiore a quella di un IrO2 commerciale. ||Catalizzatore Pt/C.
Sono stati condotti studi sperimentali e computazionali dettagliati per comprendere il motivo di questa efficienza. I risultati confermati supportano la nostra ipotesi iniziale di lisciviazione selettiva dei materiali per creare una struttura più porosa e l'uso di diversi centri metallici e forme di materiali per l'evoluzione di idrogeno e ossigeno.
In sintesi, abbiamo sviluppato un metodo semplice ma avanzato ed economico per progettare un elettrocatalizzatore bifunzionale basato su nanocompositi di nanofogli NiCu su Co in grado di dividere l'acqua a 1,46 V con grande stabilità. Ci auguriamo che il nostro prodotto possa essere utile per la sintesi su larga scala e l'uso commerciale negli elettrolizzatori per la produzione di idrogeno verde.
Questa storia fa parte di Science X Dialog, dove i ricercatori possono riportare i risultati dei loro articoli di ricerca pubblicati. Visita questa pagina per informazioni su ScienceX Dialog e su come partecipare.
Ulteriori informazioni: Ankur Kumar et al, Progettazione di nanoarchitettura di nanoparticelle deallate NiCu su nanosheet gerarchici di co per la scissione complessiva dell'acqua alcalina a bassa tensione cellulare, catalisi ACS (2023). DOI:10.1021/acscatal.3c02096
Informazioni sul giornale: Catalisi ACS
La dottoressa Sasanka Deka è professoressa di chimica all'Università di Delhi. Ha conseguito il dottorato di ricerca. laurea presso il National Chemical Laboratory (NCL-Pune). Ha svolto la sua ricerca post-dottorato presso il Laboratorio Nazionale di Nanotecnologie, CNR-INFM, Lecce, Italia e Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), Genova, Italia. Ha ricevuto il premio SHRI RAM ARORA AWARD della TMS Foundation 2008, dalla Minerals, Metals &Materials Society (TMS), Warrendale, USA; Premio DAE-BRNS per la ricerca per giovani scienziati 2011, miglior discorso orale dell'RSC nel 2015, Institute of Physics (IOP), articolo più citato nel Regno Unito - India 2019 e articolo più citato nell'RSC nel 2020. Il Dr. Deka ha pubblicato più di 75 articoli di ricerca in diversi riviste internazionali ad alto impatto, detiene tre brevetti e ha anche scritto due libri e tre capitoli di libri pubblicati da un editore internazionale. Ha gestito con successo diversi progetti di ricerca extramurali nazionali e internazionali. Il suo attuale interesse di ricerca riguarda la nanochimica sintetica e nuovi nanomateriali per la ricerca energetica.
