Un nuovo catalizzatore privo di platino potrebbe dare una spinta decisiva al futuro dell’idrogeno, un combustibile economico e pulito.

I ricercatori della Washington University di St. Louis stanno lavorando a una possibile soluzione. Un team guidato da Gang Wu, professore di ingegneria energetica, ambientale e chimica presso la McKelvey School of Engineering, ha sviluppato un nuovo catalizzatore progettato per un elettrolizzatore d’acqua a membrana a scambio anionico (AEMWE). Questa tecnologia utilizza l’elettricità proveniente da fonti rinnovabili per scindere l’acqua in idrogeno e ossigeno, producendo nel processo un combustibile a idrogeno pulito.

Nuovo catalizzatore a idrogeno senza platino

Il gruppo di Wu si è concentrato sulla sostituzione dei costosi materiali a base di platino comunemente utilizzati nei sistemi di produzione di idrogeno. Il loro approccio utilizza energia elettrica rinnovabile generata dalla luce solare, dal vento o dall’acqua per alimentare la separazione dell’idrogeno dalle molecole d’acqua.

“Passare dall’acqua all’idrogeno è un metodo molto promettente per immagazzinare energia per diverse applicazioni”, ha affermato Wu. “L’idrogeno stesso può essere utilizzato come vettore energetico ed è utile per diverse industrie chimiche e manifatturiere.”

Per realizzare il catalizzatore, i ricercatori hanno combinato fosfuro di renio (Re₂P ₎ e fosfuro di molibdeno (MoP). Insieme, i due materiali hanno creato un composito altamente efficace che ha migliorato il processo di estrazione dell’idrogeno. Il componente di renio ha favorito l’adesione e il rilascio dell’idrogeno dalla superficie del catalizzatore, mentre il molibdeno ha accelerato la scissione dell’acqua nell’elettrolita alcalino.

Prestazioni durature per l’energia pulita

Il team ha abbinato il nuovo catalizzatore a un anodo di nichel-ferro e ha scoperto che il sistema ha prestazioni migliori rispetto a un catodo all’avanguardia, incluso uno basato su materiali PGM. Secondo Wu, il catalizzatore ha inoltre funzionato per oltre 1.000 ore a densità di corrente di livello industriale di 1 e 2 ampere per centimetro quadrato. Ciò lo rende uno dei catodi senza platino più durevoli sviluppati finora per gli elettrolizzatori d’acqua a membrana a scambio anionico.

“I nostri risultati ci hanno permesso di razionalizzare il ruolo cruciale dell’ingegnerizzazione della rete di legami a idrogeno all’interfaccia catalizzatore/elettrolita nella progettazione di elettrolizzatori ad acqua a membrana a scambio anionico (AEMWE) ad alta efficienza e a basso costo”, ha affermato Wu. “Il nostro catalizzatore ha mostrato la resistenza più bassa nell’intero intervallo di potenziale studiato, il che suggerisce la cinetica di adsorbimento dell’idrogeno più rapida tra i catalizzatori analizzati. Queste nuove prestazioni e metriche di durabilità rendono il nostro catalizzatore uno degli assemblaggi di elettrodi a membrana più promettenti per gli elettrolizzatori ad acqua a membrana a scambio anionico di uso pratico.”

Potenziale per la produzione di idrogeno su larga scala

Sebbene gli esperimenti siano stati condotti su scala di laboratorio, i ricercatori intendono continuare a studiare la possibilità di estendere la tecnologia all’uso industriale.

Il progetto è stato finanziato dal fondo di avviamento di G. Wu presso la Washington University di St. Louis.

Lo sviluppo di catalizzatori efficienti privi di metalli del gruppo del platino (PGM) per la reazione di evoluzione dell’idrogeno (HER) in elettroliti alcalini è fondamentale per gli elettrolizzatori ad acqua a membrana a scambio anionico (AEMWE) al fine di produrre idrogeno a basso costo. Nonostante la promettente attività spesso osservata in elettroliti acquosi sui catalizzatori HER, le prestazioni catalitiche nell’ambiente catodico reale degli AEMWE sono principalmente limitate dall’insufficiente apporto di acqua e protoni nelle condizioni operative ottimali del catodo secco. In questo lavoro, sviluppiamo un catalizzatore eterostrutturale Re₂P _/ MoP che supera queste limitazioni di trasporto di massa e interfacciali, consentendo la realizzazione di un catodo ad alte prestazioni privo di PGM negli AEMWE. Rispetto ai singoli catalizzatori Re₂P _e MoP, il catalizzatore eterostrutturale Re₂P _/ MoP presenta sovratensioni HER significativamente inferiori. Le misurazioni elettrochimiche e i calcoli teorici suggeriscono che l’accoppiamento tra Re ₂ P e MoP può regolare la struttura elettronica di ciascun componente, ottimizzando così l’adsorbimento dell’idrogeno e la cinetica di dissociazione dell’acqua e migliorando l’attività HER intrinseca. Inoltre, il Re _{L’eterostruttura 2} P/MoP può popolare le molecole d’acqua interfacciali e formare una rete di legami a idrogeno connessa/dinamica vicino all’interfaccia catalizzatore/elettrolita, facilitando così il rifornimento di acqua e il trasferimento di protoni/idrossidi, essenziali per operazioni ad alta densità di corrente anche a basso contenuto di acqua. L’assemblaggio dell’elettrodo a membrana senza PGM Re ₂ P/MoP||schiuma di NiFe (MEA) fornisce una densità di corrente di livello industriale di 1,0 e 3,0 A cm ^–2 a 1,73 e 1,95 V, rispettivamente, paragonabili al benchmark PtRu/C||IrO _x PGM. L’MEA senza PGM può mantenere un funzionamento stabile a 2,0 A cm. ^–2 per oltre 1000 ore, il che lo rende uno degli MEA più promettenti per gli AEMWE. Questo lavoro sottolinea che l’ingegneria dell’interfaccia catalizzatore/elettrolita è fondamentale per ottenere sistemi elettrochimici ad alte prestazioni.