Elettrodi per l'elettrolisi dell'acqua: rivestimenti elettrocatalitici
L’importanza dell’elettrolisi dell’acqua
L'elettrolisi dell'acqua per la produzione di idrogeno verde è essenziale per raggiungere una transizione energetica di successo, decarbonizzare il settore dell’energia e soddisfare gli obiettivi di zero emissioni nette entro il 2050.
A differenza dell'idrogeno blu o grigio, l'idrogeno verde richiede un processo elettrochimico che coinvolge un anodo e un catodo - gli elettrodi - separati da una membrana o diaframma.
Applicando una corrente elettrica a questi elettrodi, l'acqua viene trasformata in idrogeno al catodo, mentre viene convertita in ossigeno all'anodo (vedi equazione seguente):
La sfida dell’efficienza
In teoria, la scissione dell'acqua avviene a un potenziale elettrochimico di ΔE° = -1,23 V. Tuttavia, in condizioni pratiche, questo potenziale è raramente raggiunto a causa del sovrapotenziale necessario per avviare la reazione.
Il sovrapotenziale aumenta la corrente elettrica necessaria per iniziare l'elettrolisi dell'acqua, influenzando l'efficienza del processo.
L'approccio innovativo di De Nora
In questo senso, De Nora è impegnata nella ricerca e sviluppo di elettrodi ad alte prestazioni per l’elettrolisi dell'acqua.
Questa ricerca si concentra sulla progettazione di elettrodi che riducano al minimo il sovrapotenziale e facilitino la scissione dell'acqua a un potenziale elettrochimico il più vicino possibile a ΔE° = - 1,23 V.
Ciò è essenziale per creare sistemi efficienti adatti alla produzione e alla commercializzazione su larga scala di idrogeno verde.
Nelle applicazioni industriali, infatti, un potenziale elettrochimico più basso riduce i requisiti energetici per la produzione di idrogeno.
Design e durabilità dei coating elettrocatalitici
Per ottenere un potenziale elettrochimico più basso, gli scienziati De Nora utilizzano dei rivestimenti elettrocatalitici da applicare su un substrato metallico, tipicamente il nichel, nel contesto dell'elettrolisi dell'acqua alcalina.
Durante lo sviluppo di questi rivestimenti elettrochimici bisogna tener conto di diversi aspetti. Innanzitutto, data la natura altamente corrosiva dell'ambiente in cui avviene l'elettrolisi dell'acqua alcalina (5.0 M NaOH/KOH), i materiali devono resistere a queste condizioni sperimentali senza subire degradazioni. Per cui, la ricerca è indirizzata a identificare i materiali più adatti da utilizzare come coating elettrocatalitici, considerando il numero limitato di elementi che possono supportare queste condizioni sperimentali così difficili.
Inoltre, i rivestimenti devono essere sufficientemente robusti per sostenere processi di elettrolisi dell'acqua duraturi nel tempo (fino a 8 anni). La durata di questi sistemi diventa quindi un criterio cruciale per valutare le prestazioni del nuovo elettrodo.
Ottimizzazione dell’applicazione dei rivestimenti
Pertanto, la creazione di elettrodi non si limita a determinare la formulazione del rivestimento metallico. Studi dettagliati si concentrano sul modo in cui il rivestimento deve essere applicato all'elettrodo per ottenere stabilità e prestazioni durature nel tempo.
Ad esempio, il substrato, tipicamente il nichel, può richiedere un pretrattamento prima dell'applicazione o un trattamento successivo all'applicazione. Ciò può comportare l'uso di interlayer o diversi strati protettivi, a seconda dell'applicazione specifica e della robustezza richiesta per il rivestimento elettrocatalitico.
Alla continua ricerca di nuove formulazioni e tecniche
La creazione di nuovi elettrodi per l'elettrolisi dell'acqua presenta una serie di sfide e gli scienziati De Nora stanno lavorando attivamente per esplorare nuove formulazioni di coating e tecniche di applicazione.
L'obiettivo è garantire che il potenziale elettrochimico di questi elettrodi si allinei al valore ideale e termodinamico di ΔE° = - 1.23 V, in modo da ridurre al minimo la quantità di energia necessaria per la produzione di idrogeno verde.