Elettrocatalizzatori per l'elettrolisi dell'acqua

Verso una maggiore efficienza

Un elettrocatalizzatore è un’entità chimica utilizzata per abbassare la barriera energetica delle reazioni elettrochimiche, come l’elettrolisi dell'acqua, cioè la scissione
dell'acqua nei suoi costituenti elementari (ossigeno e idrogeno) mediante una corrente elettrica.

Questo processo richiede un elettrocatalizzatore per avvenire a voltaggi più bassi, rendendo il processo commercialmente rilevante.
L'impiego di elettrocatalizzatori è, dunque, cruciale per migliorare l'efficienza dell'elettrolisi.

Esistono diversi tipi di elettrocatalizzatori per la scissione dell'acqua.
Anche se la reazione mostrata nell’equazione sottostante può sembrare semplice, la
scissione dell’acqua è in realtà un processo complesso che coinvolge vari intermedi di reazione e avviene su due lati separati di una cella elettrochimica:

Inoltre, a seconda del pH, la reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER) e la reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER) sono diverse.

Per esempio, quando ci riferiamo all'elettrolisi dell'acqua alcalina, lo ione idrossile funziona come portatore di carica ed è il reagente per l'OER (1), mentre si presenta come prodotto nell'HER (2):

Sfide nella creazione di elettrocatalizzatori

Lo sviluppo di elettrocatalizzatori comporta diverse sfide. Una delle principali è la selettività: l'elettrocatalizzatore deve accelerare una reazione chimica specifica, evitando altre reazioni indesiderate.

Inoltre, considerando che la maggior parte degli elettrocatalizzatori per l'elettrolisi dell'acqua sono ossidi metallici, è essenziale valutarne le proprietà semiconduttive. La composizione e la dimensione delle particelle degli ossidi metallici sono fondamentali per la loro conducibilità e per sbloccare livelli di prestazioni paragonabili alle loro controparti in metallo nobile, rendendoli così una valida alternativa per un'elettrolisi dell'acqua economica e sostenibile.

Infine, la scalabilità industriale è un fattore cruciale: la sintesi di un elettrocatalizzatore deve essere semplice e i suoi costi competitivi per consentire la produzione su larga scala.

Prospettive futuristiche ed elettrificazione

Nonostante le sfide, il futuro degli elettrocatalizzatori è promettente.
Con l'industria in movimento verso la elettrificazione e soluzioni più sostenibili, si sta cercando di sviluppare elettrocatalizzatori che non si basino su metalli preziosi. La ricerca si concentra sugli ossidi di metalli di transizione della prima serie, che offrono prestazioni comparabili.

Il machine learning (ML) e l’intelligenza artificiale (AI), così come la high-throughput experimentation (HPE), possono aiutare in questo senso.
Infatti, ciascuno di questi strumenti, con i propri vantaggi, può migliorare lo sviluppo di elettrocatalizzatori per la produzione di idrogeno verde.
Ad esempio, l'utilizzo di AI e ML può semplificare il modo in cui ottimizziamo un catalizzatore, esaminando diversi dati e facendo uno screening virtuale degli elettrocatalizzatori, considerando diverse caratteristiche come i meccanismi delle reazioni, le morfologie, lo screening della pirolisi, ecc.

Allo stesso modo, con l'HPE, possiamo accelerare la sintesi degli elettrocatalizzatori e accedere a migliaia di composizioni diverse, trovando quelle più performanti in un breve periodo di tempo.
Risultato: riduzione della manodopera e dei costi complessivi dei processi.

Il contributo di De Nora nella ricerca

Gli scienziati di De Nora partecipano attivamente alla corsa per trovare migliori elettrocatalizzatori per l'elettrolisi dell'acqua per produrre idrogeno verde.

L’obiettivo è ridurre i costi delle tecnologie attuali, abbandonare o ridurre al minimo l'uso di metalli preziosi e trovare nuove soluzioni per rendere i processi elettrochimici scalabili, in modo da poter contribuire alla decarbonizzazione del settore energetico e diventare net-zero entro il 2050.