Molti tentativi di far partire l’idrogeno gassoso con acqua fresca o desalinizzata, ma questi metodi possono essere costosi e ad alta intensità energetica. L’acqua trattata è più facile da lavorare perché ha meno cose – elementi chimici o molecole – che galleggiano intorno.
I ricercatori raccolgono acqua di mare a Half Moon Bay, in California, nel gennaio 2023 per un esperimento che ha trasformato il liquido in idrogeno. Da sinistra: Joseph Perryman, ricercatore postdottorato presso SLAC e Stanford; Daniela Marin, una studentessa laureata a Stanford in ingegneria chimica e coautrice; Adam Nielander, uno scienziato associato al SUNCAT, un istituto congiunto SLAC-Stanford; e Charline Rémy, visiting scholar al SUNCAT. Credito immagine: Adam Nielander/SLAC National Accelerator Laboratory
Tuttavia, la purificazione dell’acqua è costosa, richiede energia e aggiunge complessità ai dispositivi, hanno affermato i ricercatori. Un’altra opzione, l’acqua dolce naturale, contiene anche una serie di impurità che sono problematiche per la tecnologia moderna, oltre ad essere una risorsa più limitata sul pianeta, hanno detto.
Per lavorare con l’acqua di mare, il team ha implementato un sistema a membrana bipolare, oa due strati, e lo ha testato utilizzando l’elettrolisi, un metodo che utilizza l’elettricità per guidare gli ioni, o elementi carichi, per eseguire una reazione desiderata. Hanno iniziato il loro progetto controllando l’elemento più dannoso per il sistema dell’acqua di mare, il cloruro, ha affermato Joseph Perryman, ricercatore post-dottorato di SLAC e Stanford.
“Ci sono molte specie reattive nell’acqua di mare che possono interferire con la reazione acqua-idrogeno, e il cloruro di sodio che rende salata l’acqua di mare è uno dei principali colpevoli”, ha detto Perryman. “In particolare, il cloruro che arriva all’anodo e si ossida ridurrà la durata di un sistema di elettrolisi e può effettivamente diventare pericoloso a causa della natura tossica dei prodotti di ossidazione che includono cloro molecolare e candeggina”.
La membrana bipolare nell’esperimento consente l’accesso alle condizioni necessarie per produrre idrogeno gassoso e impedisce al cloruro di raggiungere il centro di reazione.
“Stiamo essenzialmente raddoppiando i modi per fermare questa reazione al cloruro”, ha detto Perryman.
Una casa per l’idrogeno
Un sistema a membrana ideale svolge tre funzioni principali: separa i gas di idrogeno e ossigeno dall’acqua di mare; aiuta a spostare solo gli ioni utili di idrogeno e idrossido limitando altri ioni di acqua di mare; e aiuta a prevenire reazioni indesiderate. Catturare tutte e tre queste funzioni insieme è difficile e la ricerca del team è mirata all’esplorazione di sistemi in grado di combinare in modo efficiente tutte e tre queste esigenze.
In particolare nel loro esperimento, i protoni, che erano gli ioni idrogeno positivi, sono passati attraverso uno degli strati della membrana fino a un punto in cui potevano essere raccolti e trasformati in idrogeno gassoso interagendo con un elettrodo caricato negativamente, o catodo. La seconda membrana del sistema permetteva il passaggio solo di ioni negativi, come il cloruro.
Come backstop aggiuntivo, uno strato di membrana conteneva gruppi caricati negativamente che erano fissati alla membrana, il che rendeva più difficile per altri ioni caricati negativamente, come il cloruro, spostarsi in luoghi dove non dovrebbero essere, ha detto Daniela Marin, una laureata di Stanford studente in ingegneria chimica e coautore.
La membrana caricata negativamente si è dimostrata altamente efficiente nel bloccare quasi tutti gli ioni cloruro negli esperimenti del team e il loro sistema ha funzionato senza generare sottoprodotti tossici come candeggina e cloro.
Oltre a progettare un sistema a membrana acqua di mare-idrogeno, lo studio ha anche fornito una migliore comprensione generale di come gli ioni di acqua di mare si muovono attraverso le membrane, hanno affermato i ricercatori. Questa conoscenza potrebbe aiutare gli scienziati a progettare membrane più resistenti anche per altre applicazioni, come la produzione di ossigeno gassoso.
“C’è anche un certo interesse nell’usare l’elettrolisi per produrre ossigeno”, ha detto Marin. “Comprendere il flusso ionico e la conversione nel nostro sistema a membrana bipolare è fondamentale anche per questo sforzo. Oltre a produrre idrogeno nel nostro esperimento, abbiamo anche mostrato come utilizzare la membrana bipolare per generare ossigeno gassoso».
Successivamente, il team prevede di migliorare i propri elettrodi e membrane costruendoli con materiali più abbondanti e facilmente estratti. Questo miglioramento del design potrebbe rendere il sistema di elettrolisi più facile da scalare a una dimensione necessaria per generare idrogeno per attività ad alta intensità energetica, come il settore dei trasporti, ha affermato il team.
I ricercatori sperano anche di portare le loro celle di elettrolisi alla Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) di SLAC, dove potranno studiare la struttura atomica di catalizzatori e membrane utilizzando gli intensi raggi X della struttura.
“Il futuro è luminoso per le tecnologie dell’idrogeno verde”, ha affermato Thomas Jaramillo, professore presso SLAC e Stanford e direttore di SUNCAT. “Le informazioni fondamentali che stiamo acquisendo sono fondamentali per informare le innovazioni future per migliorare le prestazioni, la durata e la scalabilità di questa tecnologia”.
Fonte: Università di Stanford
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
