Elettrodi a diffusione di gas: soluzioni elettrochimiche avanzate
Gli elettrodi a diffusione di gas (GDE) stanno emergendo come tecnologia fondamentale per consentire processi elettrochimici avanzati, che accelerano la decarbonizzazione industriale e favoriscono l'uso circolare delle risorse. Per saperne di più, abbiamo intervistato Daniela Galliani, PhD, Program Manager per le tecnologie emergenti nella transizione energetica e per l'idrogeno presso De Nora.
Un elettrodo a diffusione di gas (GDE) è un tipo di elettrodo che accelera (catalizza) una reazione elettrochimica all'interfaccia tra un liquido e un gas. In breve, il ruolo del GDE è trasferire elettroni in modo efficace tra il gas e il liquido, o viceversa. Ciò avviene grazie alla peculiare caratteristica del GDE di creare il cosiddetto “three phase boundary”, ovvero siti specifici in cui tre fasi (solido, liquido, gas) possono essere simultaneamente a contatto tra loro, consentendo alla reazione elettrochimica di avvenire nel modo più efficiente.
In linea di massima, il GDE è costituito da due componenti: un substrato solido, o strato di diffusione del gas, e un elettrocatalizzatore.
Il substrato o strato di diffusione del gas è una struttura porosa, solitamente composta da materiale a base di carbonio (se le condizioni operative lo consentono), come il tessuto di carbonio o la carta carbone. Gli elettrocatalizzatori, necessari per facilitare la reazione e aumentarne l'efficienza, sono solitamente a base di metalli di transizione; ad esempio, i catalizzatori a base di platino sono tra i più utilizzati nelle celle a combustibile.
È possibile giocare con un'ampia varietà di parametri per ottenere un GDE ottimizzato, in cui il three phase boundary sia ottimale in prossimità dei catalizzatori. Lo sviluppo e la produzione di un GDE rappresentano infatti sfide molto complesse e affascinanti che coinvolgono la chimica delle formulazioni, l'ingegneria dei materiali e diversi metodi di caratterizzazione fisica e chimica.
I GDE presentano caratteristiche uniche che possono essere sfruttate in tutti i processi industriali in cui una reazione elettrochimica richiede l'impiego di gas.
Con il prodotto giusto, è possibile ottimizzare il processo e aumentarne notevolmente l'efficienza. Tali aspetti sono diventati estremamente importanti nei processi in cui i GDE rappresentano lo stato dell'arte, come nelle celle a combustibile, dispositivi energetici versatili che convertono l'energia chimica dei combustibili (più comunemente l'idrogeno) in elettricità attraverso reazioni elettrochimiche.
Naturalmente, anche altri processi nel campo della transizione energetica e della circolarità possono sfruttare con successo i vantaggi dei GDE. Ad esempio, nella riduzione elettrochimica dell'anidride carbonica, i GDE vengono utilizzati per ridurre la CO2 in molecole a maggiore valore aggiunto, oppure nel recupero e nella raffinazione dei sali industriali tramite elettrolisi, dove i GDE possono essere impiegati per ottenere un risparmio energetico efficace attraverso la depolarizzazione del catodo e, potenzialmente, anche dell'anodo.
Le celle a combustibile HT PEM sono un tipo specifico di celle a combustibile caratterizzate da elevate temperature di esercizio (120–200 °C), che offrono una maggiore tolleranza alla CO₂, una gestione dell'acqua semplificata e una più facile integrazione del calore rispetto ai sistemi PEM a bassa temperatura. All'interno di queste celle a combustibile, i GDE consentono la conversione dell'idrogeno e dell'ossigeno in acqua. Questo tipo di celle a combustibile è solitamente impiegato nei mezzi di mobilità pesante e nelle apparecchiature stazionarie.
La riduzione elettrochimica dell'anidride carbonica è tra le applicazioni più promettenti dei GDE. Questa tecnologia potrebbe aiutare a trasformare l'anidride carbonica in risorse preziose, integrando i flussi di rifiuti in modelli di economia circolare. Ad esempio, i GDE potrebbero essere implementati in processi industriali come la fermentazione, in cui l'anidride carbonica viene prodotta dal metabolismo dei microrganismi.
Questa tecnica utilizza l'elettricità per separare i sali, consentendo il recupero o la purificazione di sali industriali come il cloruro di litio, il solfato di sodio e il cloruro di tetrametilammonio. In queste applicazioni, i GDE possono essere utilizzati per depolarizzare il catodo, riducendo così la tensione della cella e il consumo energetico. Questa tecnologia è ampiamente impiegata nell'elettrolisi dell'acido cloridrico per la depolarizzazione catodica e potrebbe essere applicata con successo anche alla depolarizzazione anodica.
Un settore in forte crescita è quello dello stoccaggio di energia a lunga durata, fondamentale per la transizione energetica. Esistono batterie in fase di sviluppo per questa applicazione, come le batterie metallo-aria e le batterie a flusso redox, nelle quali i GDE potrebbero essere impiegati con successo e svolgere un ruolo importante nel progresso tecnologico.