Sarebbe una sfida per qualsiasi scienziato eguagliare il tasso di invenzioni legate al verde di Alexey Serov idrogeno carburante. Serov, un ricercatore presso l’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia, ha 84 brevetti con almeno altri 35 in fase di revisione, quindi è improbabile che il suo ritmo elettrizzante rallenti presto.
Nel laboratorio dei materiali per batterie dell’ORNL, Alexey Serov produce un catalizzatore per batterie che non contiene metalli del gruppo del platino. Un brevetto in attesa sul processo si aggiungerà al suo ampio portafoglio di invenzioni. Credito immagine: Carlos Jones/ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti
La ricerca di Serov si concentra sui materiali e sulle prestazioni delle celle a combustibile che alimentano veicoli elettrici o edifici convertendo idrogeno e ossigeno in calore, acqua ed elettricità. Le celle a combustibile creano energia attraverso una reazione elettrochimica anziché bruciando combustibile liquido come benzina o diesel.
La produzione e l’utilizzo del combustibile a idrogeno richiedono una procedura alquanto circolare. Innanzitutto, un processo chiamato elettrolisi divide le molecole d’acqua in idrogeno e ossigeno all’interno di un dispositivo chiamato elettrolizzatore. L’idrogeno si ricombina poi con l’ossigeno in una cella a combustibile per generare elettricità. La natura interconnessa di queste fasi significa che i miglioramenti apportati a ciascuna fase possono apportare benefici all’intero sistema.
Quando l’elettricità che alimenta l’elettrolisi proviene da una fonte di energia pulita come quella eolica o solare, il prodotto risultante è chiamato idrogeno “verde” perché il suo intero ciclo di vita non genera inquinamento atmosferico che provoca cambiamenti climatici.
Le invenzioni di Serov migliorano tutte le fasi dalla generazione all’utilizzo dell’idrogeno verde. La sua ricerca nella direzione della scienza e della tecnologia energetica spazia dai materiali, ai dispositivi come gli elettrolizzatori e ai catalizzatori che innescano le reazioni.
Alexey Serov dell’ORNL ricerca modi per migliorare le celle a combustibile e i materiali a idrogeno e il processo di elettrolisi. Credito immagine: Carlos Jones/ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti
Materiali per la produzione
Sia gli elettrolizzatori che le celle a combustibile hanno parti simili a una batteria: elettrodi caricati positivamente e negativamente che scambiano ioni attraverso un elettrolita inserito tra loro. Un elettrocatalizzatore sulla superficie degli elettrodi innesca una reazione chimica che separa o combina idrogeno e ossigeno.
Un elettrocatalizzatore efficace è fondamentale per le prestazioni complessive delle celle a combustibile. Oggi gli elettrocatalizzatori sono generalmente realizzati con metalli costosi del gruppo del platino, che sono tra i più rari sulla Terra.
“La diminuzione dei metalli del gruppo del platino diminuisce l’efficienza e la longevità del sistema, quindi nel tempo si produce meno prodotto allo stesso prezzo”, ha affermato Serov. “Un’opzione è migliorare quel sistema costoso. Ma cerchiamo anche un materiale più abbondante e più economico. Anche se è meno attivo, potremmo permetterci di usarne di più”.
Tuttavia, l’aggiunta di più materiale aumenta le dimensioni e il peso delle celle a combustibile. Un sistema di grandi dimensioni non può stare sotto il cofano di un camion, anche se potrebbe essere utilizzato per alimentare una casa o per supportare un sistema elettrico. Serov sta lavorando su varie tecnologie per bilanciare questi complicati compromessi.
Serov è insolito non solo nel migliorare la tecnologia delle celle a combustibile, ma anche nel trasferirla alla produzione di massa. Sta fornendo leadership nazionale come vicedirettore di un nuovo DOE Roll-2-Roll, o R2R, una collaborazione multilaboratorio per aumentare la produzione di materiali elettrocatalizzatori e accelerare i processi di produzione degli elettrodi.
Sede del più grande centro ad accesso libero del paese per la ricerca e lo sviluppo sulla produzione di batterie, ORNL offre opportunità insolite per ampliare le scoperte di laboratorio utilizzando apparecchiature roll-to-roll e per l’analisi termica, microscopi elettronici e altri strumenti specializzati nel suo impianto di produzione di batterie.
L’invenzione di un inventore
Grazie alla madre di Serov, un medico, la sua casa d’infanzia in un villaggio russo rimase ben fornita di libri di chimica. Al primo anno di liceo era già appassionato di esperimenti di laboratorio.
Un campo estivo, organizzato nella sua regione dall’Università statale di Mosca, ha consolidato il suo desiderio di diventare un chimico e frequentare quel college, dove ha conseguito diverse lauree prima di unirsi alla facoltà come ricercatore di chimica organica.
Quando Samsung SDI reclutò Serov a una fiera del lavoro, questi partì per la Corea del Sud per sviluppare celle a combustibile innovative, dando inizio alla sua esperienza di brevetti. La sua successiva ricerca di dottorato lo portò nella nuova direzione dello studio degli isotopi altamente radioattivi e di breve durata presso l’Università di Berna in Svizzera. Quella ricerca ha fornito la possibilità di far parte dei primi esperimenti che determinano le proprietà chimiche di due elementi prodotti dall’uomo, il copernicio e il flerovium.
Dopo la Corea del Sud e la Svizzera, il prossimo trasferimento di Serov lo ha portato negli Stati Uniti. In ogni caso, ha colto al volo un’opportunità professionale che ha suscitato il suo interesse, nonostante non abbia mai visitato il paese o studiato la lingua locale, ad eccezione dell’inglese. Tuttavia, queste scelte non sono state difficili per Serov: oltre alla moglie e ai due figli, le sue due grandi passioni sono i viaggi e la chimica.
“La mia curiosità mi ha portato a creare reazioni, alla fisica delle particelle elementari e ad applicazioni nel mondo reale”, ha detto Serov. “La ricerca relativa alle celle a combustibile mi consente di combinare questi interessi per risolvere problemi scientifici e applicati molto impegnativi”.
Nel suo nuovo lavoro presso l’Università del New Mexico, dove Serov divenne infine professore associato di ricerca, sviluppò modi per rendere le celle a combustibile a idrogeno più accessibili. “Intorno al 2012, abbiamo trovato una bella classe di materiali che era un ottimo sostituto del platino nelle celle a combustibile”, ha affermato Serov.
Realizzato con ferro, carbonio e azoto, questo materiale poteva essere ottenuto ovunque da materiali biologici o altri materiali organici parzialmente bruciati ed era letteralmente a buon mercato. Serov è stato capo scienziato di una startup che ha concesso in licenza l’innovazione.
L’impresa ebbe successo, ma una volta maturata la tecnologia, Serov iniziò a desiderare nuove scoperte. Questo è ciò che lo ha portato all’ORNL nel 2021.
“Alexey è uno scienziato appassionato e creativo, le cui competenze sia nella scienza dei materiali che nelle applicazioni dell’energia verde portano una prospettiva unica che apparentemente sposta le idee da una scala molto piccola alla dimostrazione”, ha affermato Ilias Belharouak, membro aziendale dell’ORNL e capo della sezione di elettrificazione del laboratorio .
“Le sue invenzioni e il suo lavoro sulla catalisi, sulla produzione e sull’uso dell’idrogeno hanno il potenziale per rendere i dispositivi di stoccaggio e conversione alimentati a idrogeno attori fondamentali nella decarbonizzazione della nostra economia”.
All’ORNL, Serov ha ampliato la sua attenzione includendo non solo l’utilizzo dell’idrogeno, ma anche la sua produzione e il suo utilizzo per scopi esterni ai trasporti.
“Inizialmente l’elettrolisi dell’acqua era mirata principalmente alla creazione di idrogeno per le automobili, in particolare per i camion pesanti”, ha affermato Serov. “Ora che abbiamo un quadro più olistico, sappiamo che può essere utilizzato praticamente in tutti i settori dell’economia, portando a una rapida decarbonizzazione dell’industria”.
Ad esempio, la sintesi chimica dell’idrogeno viene utilizzata nella produzione di ammoniaca e altri prodotti chimici industriali. L’idrogeno può sostituire il coke utilizzato nella produzione dell’acciaio, eliminando le emissioni di anidride carbonica. Le celle a idrogeno potrebbero anche essere potenzialmente utilizzate per creare uno stoccaggio nella rete elettrica a lungo termine per l’energia in eccesso prodotta dai parchi solari ed eolici.
Serov rappresenta l’ORNL in altre tre iniziative di ricerca sull’idrogeno del DOE che affrontano varie fasi dello sviluppo e dell’implementazione delle celle a combustibile a idrogeno. Ad esempio, il Consorzio per i camion a celle a combustibile da un milione di miglia lavora per commercializzare camion a lungo raggio alimentati a idrogeno a zero emissioni.
Tuttavia, questi camion non saranno pratici a meno che i prezzi del carburante a idrogeno non scendano. Per ridurre i costi, il Consorzio H2NEW mira a ridurre la quantità di iridio metallico del gruppo del platino nel catalizzatore mantenendo l’efficienza delle celle a combustibile.
“Per soddisfare la domanda nel prossimo decennio, dovremmo utilizzare tutto l’iridio estratto ogni anno per gli elettrolizzatori”, ha detto Serov. “Questo è impossibile, dal momento che viene utilizzato anche per realizzare componenti per smartphone, laser e altri prodotti.”
Serov ha lavorato sul problema dell’iridio anche dal punto di vista del riciclaggio. Metodi di riciclaggio efficienti potrebbero estendere la fornitura, riducendo la necessità di estrarla. Sfortunatamente, gli odierni processi di riciclaggio impiegano dai 180 ai 240 giorni per elaborare l’iridio dalle pile dell’elettrolizzatore.
Serov ha richiesto un brevetto su un metodo da lui sviluppato, che dissolve l’iridio metallico in meno di tre giorni. Dice che questa pietra miliare potrebbe essere la sua invenzione più importante finora.
UT-Battelle gestisce l’Oak Ridge National Laboratory per l’Office of Science del DOE. L’Office of Science, il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti, sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per maggiori informazioni per favore visita Energy.gov/science.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
