Nanocomposito

Dialogo del 30 agosto 2023

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di Ankur Kumar e Sasanka Deka

La diminuzione delle risorse energetiche convenzionali basate sui combustibili fossili e le relative conseguenze ambientali hanno attirato l’attenzione di tutto il mondo verso lo sviluppo delle risorse energetiche rinnovabili. Queste risorse energetiche rinnovabili potrebbero non soddisfare l’intera domanda energetica della popolazione mondiale; tuttavia, limitano gli effetti dei gas serra e dell’inquinamento atmosferico causato dalla combustione di combustibili fossili. Tra le risorse alternative, l’idrogeno è considerato il vettore energetico più pulito.

Tuttavia, l’idrogeno non esiste allo stato puro in natura, come l’ossigeno, e deve essere prodotto da risorse contenenti idrogeno come gas naturale (metano), carbone, biomassa e acqua mediante reforming, decomposizione termica o elettrolisi. Ma la produzione di idrogeno da gas naturale, carbone e biomassa porta all’emissione di anidride carbonica (CO2), gas serra.

Sappiamo che l'acqua (H2O) è composta da atomi di idrogeno e ossigeno; quindi, l’acqua di mare potrebbe essere una fonte illimitata di idrogeno. Pertanto, l’idrogeno è considerato un possibile sostituto dei combustibili fossili. La produzione tramite energia da fonti rinnovabili (utilizzando l'energia eolica, solare, idroelettrica, del moto ondoso o simili) è definita "idrogeno verde". In questo scenario, una delle tecniche proposte è la scissione dell’acqua in idrogeno e ossigeno utilizzando elettricità rinnovabile in un elettrolizzatore sulla superficie di un robusto elettrocatalizzatore.

Nonostante i progressi nel campo, il processo di rilascio dell’acqua per produrre idrogeno verde a prezzi accessibili rimane ancora lento a causa delle limitazioni legate agli elettrocatalizzatori efficienti. In teoria l'acqua si divide a 1,23 V. Ma in pratica questo valore è superiore a 1,5 V (il che significa ulteriore spreco di energia). Questa energia minima è teoricamente necessaria per rompere la molecola d'acqua. Per questo processo nell'elettrolizzatore vengono utilizzati costosi elettrocatalizzatori a base di metalli nobili e preziosi, ad esempio Pt, Pd, Au, Rh, Ir, ecc.

I principali problemi che l'industria e gli esperti devono affrontare sono l'ossidazione dell'acqua per produrre O2 e la stabilità del catalizzatore in condizioni alcaline industriali difficili. Nel primo problema, la reazione della semicella è una reazione in salita dove sono coinvolti quattro elettroni e dove è richiesta la maggior parte dell'energia a parte la perdita di energia associata alla resistività dei diversi componenti (elettrolita, connessioni, catalizzatore, ecc.) l'elettrolizzatore. Nel secondo problema, i costosi catalizzatori spesso perdono la loro attività a causa del degrado superficiale. In queste condizioni, per tale reazione di scissione dell'acqua è necessario un elettrocatalizzatore economico ed economico ma allo stesso tempo altamente attivo e stabile.

In uno studio recente, il nostro team, guidato da Sasanka Deka, ha progettato e sviluppato un nuovo elettrocatalizzatore basato su nanocompositi, altamente efficiente, ma comunque conveniente per la scissione complessiva dell’acqua. Un nanocomposito è una miscela omogenea di due o più materiali presenti nella gamma dei nanometri. Il presente nanocomposito è una nanoarchitettura basata su nanoparticelle deallate di NiCu su nanofogli gerarchici di Co. I nostri risultati sono pubblicati sulla rivista ACS Catalysis.

I materiali utilizzati sono più economici dei metalli preziosi e il procedimento di sintesi è molto conveniente. Questo nuovo catalizzatore è stato utilizzato in un elettrolizzatore con elettrolita a base di idrossido di potassio (KOH) per la scissione dell'acqua. È interessante notare che il sistema mostra la scissione dell'acqua e la produzione di gas idrogeno utilizzando l'elettrocatalizzatore NiCu/Co con una tensione della cella di 1,46 V. Pertanto, l'elettrocatalizzatore è in grado di scindere l'acqua utilizzando solo una batteria domestica da 1,5 volt.