Generazione di idrogeno green: una sfida interdisciplinare radicata nell'elettrochimica

L'idrogeno green, prodotto dall'elettrolisi dell'acqua utilizzando fonti di energia rinnovabile, è allo studio come strategia per ridurre la dipendenza dai combustibili fossili e decarbonizzare i processi chimici. Da un punto di vista ambientale, questo approccio è estremamente interessante dato che durante l'elettrolisi vengono utilizzate condizioni miti e non vengono prodotti gas serra quando si utilizza l'idrogeno in una cella a combustibile.

Tuttavia, l'economia dell'elettrolisi e dei sistemi di celle a combustibile per la conversione dell'energia dipende fortemente dai costi dell'elettricità e di metalli come nichel, platino, iridio e titanio. Le spese di esercizio dell'elettrolizzatore devono essere ridotte al minimo affinché l'idrogeno green diventi un'opzione economicamente valida. L'energia elettrica in ingresso contribuisce pesantemente ai costi. Pertanto, ridurre il costo delle energie rinnovabili è un passo necessario. I pannelli solari che stanno diventando più efficienti e convenienti negli ultimi decenni sono motivo di ottimismo al riguardo [1], ma c'è molto di più che si può fare per aumentare il successo dell'idrogeno green. Elettrolizzatori più efficienti potrebbero fare un uso migliore dell'elettricità in ingresso e lo sviluppo di componenti più economici e più durevoli può ridurre sia il capitale che i costi operativi.

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Interesse interdisciplinare per l'idrogeno green

Gli elettrolizzatori sono principalmente dispositivi elettrochimici con elettrocatalizzatori responsabili della scissione dell'acqua (Figura 1). Le sfide scientifiche relative all'ottimizzazione degli elettrolizzatori stanno attirando l'attenzione di ricercatori che non sono tradizionalmente formati in elettrochimica. La ricerca di elettrocatalizzatori efficienti HER (Hydrogen Evolution Reaction) e OER (Oxygen Evolution Reaction) suscita anche l'interesse di chimici e fisici inorganici. Lo sviluppo di membrane migliori richiede competenze nella chimica organica e dei polimeri. L'ottimizzazione degli inchiostri catalizzatori e la loro interazione con i substrati richiede il know-how di uno scienziato dei materiali. La gestione del calore e del flusso di massa all'interno dello stack di celle a combustibile e il bilanciamento dell'impianto sono attività ingegneristiche. Chiaramente, il continuo sviluppo delle tecnologie dell'idrogeno green ha incoraggiato la collaborazione di scienziati e ingegneri in molte discipline. Il risultato è un afflusso di creatività e intuizione, nonché lo sviluppo di nuovi entusiasmanti materiali e tecniche.

Ritorno alle basi

Lavorare in un dominio sconosciuto significa che è necessario aggiornarsi rapidamente con le migliori pratiche e apprendere un nuovo vocabolario scientifico. Per molte istituzioni, l'istruzione sui principi elettrochimici e sulle abilità di laboratorio non era un'area di interesse chiave fino agli ultimi anni.

In alcuni casi, la carenza di formazione elettrochimica fondamentale ha portato a incongruenze nella rendicontazione di importanti indicatori di prestazione. La comunità elettrochimica ne ha preso atto e ha chiesto un approccio più rigoroso. Di conseguenza, gli esperti si sono intensificati e hanno fornito una guida pratica per la quantificazione e la rendicontazione in questo dominio.

Quando si studiano i materiali degli elettrocatalizzatori è necessario disporre di benchmark e indicatori di prestazione ben definiti. Nel 2013 è stato pubblicato un protocollo di benchmarking completo per la valutazione e la rendicontazione delle cifre di merito per gli elettrocatalizzatori OER.

Questo articolo JACS [2] fornisce consigli pratici su come interpretare la superficie del catalizzatore in termini di rugosità e superficie geometrica e su come eseguire e analizzare misurazioni per confronti validi delle prestazioni elettrocatalitiche.

Analisi comparativa di elettrocatalizzatori eterogenei per gli elettrocatalizzatori di ossigeno per la reazione di evoluzione dell'ossigeno (JACS, 2013)

Una fonte comune di confusione e incoerenza nelle misurazioni elettrochimiche è l'uso di vari elettrodi di riferimento (RE). L'attività elettrocatalitica è giudicata dal sovrapotenziale necessario per un determinato tasso di produzione (cioè la densità di corrente per il processo HER o OER, Figura 1). È necessaria una configurazione a tre elettrodi per misurare il potenziale e l'RE è fondamentale per situare questo potenziale su una scala relativa, consentendo il confronto di misurazioni effettuate da diversi gruppi e in varie condizioni.

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AN-EC-002: Riferimenti elettrodi e loro utilizzo

Un articolo di Viewpoint del 2020 in ACS Energy Letters [3] fornisce una spiegazione dettagliata di come segnalare il sovrapotenziale di un elettrocatalizzatore, concentrandosi sugli elettrodi di riferimento comunemente usati come Hg/HgO, Hg/Hg2Cl2 (SCE) e Ag/AgCl.

Come segnalare in modo affidabile il sovrapotenziale di un elettrocatalizzatore (ACS, 2020)

L'elettrodo a idrogeno reversibile (RHE) è un altro RE comunemente usato che è estremamente adatto per gli studi HER e OER. Un recente articolo di ACS Catalysis[4] spiega perché l'RHE è l'elettrodo di riferimento ideale per la ricerca sull'elettrolisi e spiega come prepararsi e lavorare con un RHE. Per convenzione, tutti i potenziali redox standard sono riportati rispetto all'elettrodo a idrogeno standard (SHE). L'RHE è un'estensione pH-dipendente del SHE e si riferisce alla riduzione di un protone in condizioni non standard come descritto dall'equazione di Nernst.

Elettrodi a idrogeno standard e reversibili: teoria, progettazione, funzionamento e applicazioni (ACS, 2020)

Gli elettrolizzatori funzionano sia in condizioni acide che alcaline, quindi l'HER e l'OER sono studiati su tutta la scala del pH (Figura 1). L'RHE è adatto per l'uso a qualsiasi pH e condivide la stessa dipendenza dal pH dell'HER e dell'OER.

Un terreno comune su cui stare

Trovare un linguaggio comune e una comprensione tra questi diversi campi è vitale. Questo articolo della sinossi della JOC [5] chiarisce i concetti elettrochimici per i chimici organici. L'articolo è altamente visivo e fornisce schemi che collegano concetti come energia libera, potenziale redox e sovrapotenziale. La termodinamica dell'equilibrio aiuta a fornire un punto di riferimento comune a cui tutti i chimici possono relazionarsi.

"Come dovrei pensare alla tensione? Che cos'è il sovrapotenziale?": Stabilire un'intuizione di chimica organica per l'elettrochimica (JOC, 2021)

L'analisi termodinamica viene spesso applicata per quantificare l'efficienza energetica di celle e pile di elettrolisi. Un recente articolo di revisione nel Giornale delle fonti di energia [6] evidenzia definizioni divergenti per il coefficiente di efficienza energetica dalla letteratura accademica e industriale. L'articolo fornisce derivazioni in varie condizioni e ricorda ai lettori che sia l'elettricità che il calore devono essere presi in considerazione nell'analisi.

Una revisione critica sulla definizione utilizzata per calcolare i coefficienti di efficienza energetica delle celle di elettrolisi dell'acqua che lavorano in condizioni di temperatura ambiente vicine. (J. Fonti di alimentazione 2020)

Riassunto

Gli articoli evidenziati in questo post sul blog rappresentano solo una piccola parte delle molte risorse disponibili per costruire una comprensione comune e una migliore collaborazione tra tutti i ricercatori che lavorano al miglioramento delle tecnologie dell'idrogeno green. Quando la pandemia COVID ha interrotto il lavoro di laboratorio e i viaggi di molte persone, la comunità di ricerca è andata avanti con entusiasmo.

Seminari online e gruppi di lavoro tenuti apertamente e gratuitamente hanno riunito scienziati di diverse discipline e di tutto il mondo. Ad esempio, l'Electrochemical Online Colloquium è stato avviato nel 2021. Questa serie continua di conferenze affronta argomenti essenziali nell'elettrochimica fornendo contenuti educativi insieme al punto di vista personale di relatori esperti.

Electrochemical Online Colloquium

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AN-EC-027: Misurare il potenziale al controelettrodo con VIONIC powered by INTELLO – Un caso di studio sul platino redox in mezzi acidi

AN-EC-003: Goccia Ohmica Parte 1 – Principi di base

AN-EC-004: Goccia Ohmica Parte 2 – Misurazione

AN-EC-007: Differenze tra scansioni digitali, scansioni analogiche e integrazione del segnale

Riferimenti

1. Riduzione dei costi dell'idrogeno verde: aumentare gli elettrolizzatori per raggiungere l'obiettivo climatico di 1,5°C; Agenzia internazionale per le energie rinnovabili: Abu Dhabi, 2020.
2. McCrory, C. C. L.; Jung, S.; Peters, J. C.; et al. Analisi comparativa di elettrocatalizzatori eterogenei per la reazione di evoluzione dell'ossigeno. J. Sono. Chimica. soc. 2013, 135 (45), 16977–16987. doi:10.1021/ja407115p
3. Niu, S.; Li, S.; Du, Y.; et al. Come segnalare in modo affidabile il sovrapotenziale di un elettrocatalizzatore. ACS Energy Lett. 2020, 5 (4), 1083–1087. doi:10.1021/acsenergylett.0c00321
4. Jerkiewicz, G. Elettrodi a idrogeno standard e reversibili: teoria, design, funzionamento e applicazioni. ACS Catal. 2020, 10 (15), 8409–8417. doi:10.1021/acscatal.0c02046
5. Nutting, J. E.; Gerken, J. B.; Stamoulis, A. G.; et al. “Come dovrei pensare alla tensione? Che cos'è il sovrapotenziale?": Stabilire un'intuizione di chimica organica per l'elettrochimica. J. Org. Chimica. 2021. doi:10.1021/acs.joc.1c01520
6. Lamy, C.; miglio, p. Una revisione critica sulle definizioni utilizzate per calcolare i coefficienti di efficienza energetica delle celle di elettrolisi dell'acqua che lavorano in condizioni di temperatura ambiente vicine. J. Fonti di alimentazione 2020, 447, 227350. doi:10.1016/j.jpowsour.2019.227350