Un catalizzatore per una produzione di idrogeno verde più efficiente

I ricercatori della Georgia Tech osservano i gas di idrogeno e ossigeno generati da un reattore che divide l’acqua. Credito: Georgia Tech

La crisi climatica richiede un aumento dell’utilizzo di fonti di energia rinnovabile come il solare e l’eolico, ma con una disponibilità intermittente, lo stoccaggio scalabile dell’energia rappresenta una sfida.

L’idrogeno, in particolare l’idrogeno verde privo di carbonio, è emerso come un promettente vettore di energia pulita e un’opzione di stoccaggio per l’energia rinnovabile come solare ed eolica. Non aggiunge emissioni di carbonio nell’atmosfera, ma attualmente è costoso e complesso da creare.

Un modo per produrre idrogeno verde è la scissione elettrochimica dell’acqua. Questo processo prevede il passaggio di elettricità attraverso l’acqua in presenza di catalizzatori (sostanze che migliorano la reazione) per produrre idrogeno e ossigeno.

I ricercatori del Georgia Institute of Technology e del Georgia Tech Research Institute (GTRI) hanno sviluppato un nuovo processo e materiale per la divisione dell’acqua che massimizza l’efficienza della produzione di idrogeno verde, rendendolo un’opzione conveniente e accessibile per i partner industriali che desiderano convertirsi all’idrogeno verde per lo stoccaggio di energia rinnovabile invece della produzione convenzionale di idrogeno a emissioni di carbonio da gas naturale.

I risultati della Georgia Tech arrivano quando gli esperti del clima concordano sul fatto che l’idrogeno sarà fondamentale per i principali settori industriali del mondo per raggiungere i loro obiettivi di emissioni nette zero. La scorsa estate, l’amministrazione Biden ha fissato l’obiettivo di ridurre il costo dell’idrogeno pulito dell’80% in un decennio. Soprannominata Hydrogen Shot, l’iniziativa guidata dal Dipartimento dell’Energia cerca di ridurre il costo dell’idrogeno “pulito” o verde a 1 dollaro per chilogrammo entro il 2030.

Gli scienziati sperano di sostituire il gas naturale e il carbone, attualmente utilizzati oggi per immagazzinare energia elettrica extra a livello di rete, con idrogeno verde perché non contribuisce alle emissioni di carbonio, rendendolo un mezzo più ecologico per immagazzinare elettricità rinnovabile. Il fulcro della loro ricerca è l’elettrolisi, o il processo di utilizzo dell’elettricità per dividere l’acqua in idrogeno e ossigeno.

Materiali meno costosi e più durevoli

Il team di ricerca di Georgia Tech spera di rendere l’idrogeno verde meno costoso e più durevole utilizzando materiali ibridi per l’elettrocatalizzatore. Oggi, il processo si basa su componenti di metalli nobili costosi come platino e iridio, i catalizzatori preferiti per la produzione di idrogeno attraverso l’elettrolisi su larga scala. Questi elementi sono costosi e rari, il che ha bloccato il passaggio alla sostituzione del gas con l’energia basata sull’idrogeno. In effetti, l’idrogeno verde ha rappresentato meno dell’1% della produzione annuale di idrogeno nel 2020, in gran parte a causa di questa spesa, secondo la società di ricerche di mercato Wood Mackenzie.

“Il nostro lavoro ridurrà l’uso di quei metalli nobili, aumentandone l’attività e le opzioni di utilizzo”, ha affermato il ricercatore principale dello studio Seung Woo Lee, professore associato presso il George W. Woodruff School of Mechanical Engineering ed esperto di sistemi di accumulo e conversione dell’energia elettrochimica.

Nella ricerca pubblicata sulle riviste Catalisi applicata B: ambientale e Scienze dell’energia e dell’ambiente, Lee e il suo team hanno evidenziato le interazioni tra nanoparticelle metalliche e ossido di metallo per supportare la progettazione di catalizzatori ibridi ad alte prestazioni.

“Abbiamo progettato una nuova classe di catalizzatori in cui abbiamo creato un substrato di ossido migliore che utilizza meno elementi nobili”, ha affermato Lee. “Questi catalizzatori ibridi hanno mostrato prestazioni superiori sia per l’ossigeno che per l’idrogeno (scissione).”

Analisi su scala nanometrica

Il loro lavoro riguardava il calcolo e la modellazione del partner di ricerca, il Korea Institute of Energy Research, e la misurazione dei raggi X della Kyungpook National University e della Oregon State University, che hanno sfruttato il sincrotrone del paese, un super raggi X delle dimensioni di un campo di calcio.

“Utilizzando i raggi X, possiamo monitorare i cambiamenti strutturali nel catalizzatore durante il processo di scissione dell’acqua, su scala nanometrica”, ha spiegato Lee. “Possiamo studiare il loro stato di ossidazione o le configurazioni atomiche in condizioni operative”.

Jinho Park, ricercatore presso GTRI e ricercatore leader della ricerca, ha affermato che questa ricerca potrebbe aiutare ad abbassare la barriera dei costi delle apparecchiature utilizzate nella produzione di idrogeno verde. Oltre a sviluppare catalizzatori ibridi, i ricercatori hanno perfezionato la capacità di controllare la forma dei catalizzatori e l’interazione dei metalli. Le priorità chiave erano ridurre l’uso del catalizzatore nel sistema e, allo stesso tempo, aumentarne la durata poiché il catalizzatore rappresenta una parte importante del costo dell’attrezzatura.

“Vogliamo utilizzare questo catalizzatore a lungo senza degradarne le prestazioni”, ha affermato. “La nostra ricerca non si concentra solo sulla creazione del nuovo catalizzatore, ma anche sulla comprensione dei meccanismi di reazione alla base di esso. Riteniamo che i nostri sforzi aiuteranno a supportare la comprensione fondamentale della reazione di scissione dell’acqua sui catalizzatori e forniranno spunti significativi ad altri ricercatori in questo campo”, ha detto Park.

La forma del catalizzatore è importante

Una scoperta chiave, secondo Park, è stata il ruolo della forma del catalizzatore nella produzione di idrogeno. “La struttura superficiale del catalizzatore è molto importante per determinare se è ottimizzata per la produzione di idrogeno. Ecco perché cerchiamo di controllare la forma del catalizzatore e l’interazione tra i metalli e il materiale del substrato”, ha affermato.

Park ha affermato che alcune delle applicazioni chiave posizionate per trarne vantaggio in primo luogo includono stazioni di idrogeno per veicoli elettrici a celle a combustibile, che oggi operano solo nello stato della California, e microgrid, un nuovo approccio comunitario alla progettazione e al funzionamento di reti elettriche che si basano sul backup alimentato da fonti rinnovabili potenza.

Mentre la ricerca su XYZ è ben avviata, il team sta attualmente lavorando con i partner per esplorare nuovi materiali per una produzione efficiente di idrogeno utilizzando l’intelligenza artificiale (AI).