Aumento dell’efficienza per l’idrogeno
La produzione di idrogeno tramite elettrolisi è considerata una tecnologia chiave per la transizione energetica. Tuttavia, la sua efficienza è stata finora inadeguata. I ricercatori della Northwestern University hanno ora identificato una perdita di energia precedentemente trascurata e hanno trovato approcci concreti per l'ottimizzazione.
L’elettrolisi, la scissione dell’acqua in idrogeno e ossigeno utilizzando l’elettricità, è un processo collaudato, ma non è ancora pienamente sfruttato in termini di tecnologia energetica. Sebbene la tensione teorica richiesta sia di 1,23 volt, in pratica sono spesso necessari da 1,5 a 1,6 volt. Questa discrepanza è costosa e rallenta l’utilizzo economico.
Un team di ricerca guidato da Franz Geiger ha ora identificato una causa centrale. Prima che l’ossigeno venga rilasciato, le molecole d’acqua devono ruotare sul loro asse per allineare i loro atomi di ossigeno con l’elettrodo. Solo allora può avvenire la reazione di evoluzione dell’ossigeno. Questa rotazione richiede una notevole quantità di energia, paragonabile a quella che tiene unite le molecole d’acqua allo stato liquido.
Visualizzazione con tecnologia laser
Questa visione è stata resa possibile da un nuovo tipo di metodo di analisi, la generazione di armoniche secondarie risolte in fase. Utilizzando questa tecnologia laser, i ricercatori hanno potuto osservare in tempo reale quando e come molte molecole cambiano il loro orientamento. Questi dati forniscono per la prima volta una quantificazione energetica precisa della rotazione. Una pietra miliare per l’ulteriore sviluppo di processi di elettrolisi più efficienti.
Particolare attenzione è stata rivolta all’elettrodo di ematite, un ossido di ferro poco costoso che, nonostante le sue promettenti proprietà, finora ha sofferto di una bassa efficienza. La nuova analisi rivela ora dove esiste un potenziale di ottimizzazione.
Il valore del pH di base come leva per aumentare l’efficienza
Un altro fattore chiave è il valore del pH della soluzione. Lo studio mostra che un ambiente alcalino, ossia un valore di pH superiore a 9, riduce significativamente l’energia necessaria per la rotazione delle molecole. Questo aumenta notevolmente l’efficienza della reazione di evoluzione dell’ossigeno. L’elettrolisi difficilmente avviene al di sotto di questa soglia.
Questa realizzazione apre nuove prospettive per la produzione industriale di idrogeno. In combinazione con catalizzatori mirati e materiali cellulari avanzati, in futuro gli impianti di elettrolisi potranno essere gestiti in modo più economico e con meno risorse.