In che modo i nanomateriali a base di iridio contribuiscono a un futuro più verde?

l Metrohm Poster Award è stato inizialmente introdotto 29 anni fa durante la Conference for Electroanalytical Chemistry (ELACH) ed è diventato una tradizione di lunga data. L'edizione più recente di questo premio è stata assegnata a due vincitori dell'Electrochemistry 2022 a Berlino, in Germania. Al convegno dal tema «L'interfaccia tra chimica e fisica» hanno partecipato oltre 600 scienziati specializzati in diverse discipline elettrochimiche. Electrochemistry 2022 è servita come piattaforma post-pandemica per consentire ai partecipanti di esplorare tendenze e applicazioni all'avanguardia e di condividere i progressi in aree vitali come la tecnologia dei sensori, lo stoccaggio dell'energia, la riduzione della CO₂, la fotoelettrochimica, la bioelettrochimica, l'elettrosintesi, la corrosione, l'analisi elettrochimica e l'analisi elettrochimica. elettrocatalisi.

Vincitori del Metrohm Poster Award 2022

Hanno avuto luogo più di 300 presentazioni di poster e il comitato dei poster (membri del comitato scientifico) ha scelto attentamente le prime due. I vincitori sono stati poi premiati durante la cerimonia di premiazione con un premio di 500€ ciascuno.

In questo articolo è presentata la ricerca di Marko Malinović. Il suo poster era intitolato: «Sintesi a dimensione controllata di nanoparticelle cristalline di IrO₂ per la reazione di evoluzione dell'ossigeno in ambiente acido».

CO₂, cambiamenti climatici e automobili

L’attuazione di strategie per mitigare il cambiamento climatico è della massima importanza. Le conseguenze delle eccessive emissioni di CO₂ e della conseguente influenza sui climi regionali si fanno già sentire, con il risultato di un aumento della frequenza dei disastri naturali con inevitabili vittime umane.

La forte dipendenza del settore dei trasporti dai combustibili fossili ha quindi generato il 37% delle emissioni totali di CO₂ nel 2021 [1]. Nonostante il crescente numero di auto elettriche sulle strade, sono necessarie ulteriori soluzioni tecnologiche rispettose dell’ambiente per affrontare la sfida della riduzione delle emissioni di CO₂.

Recentemente è stata prestata maggiore attenzione alle auto alimentate a idrogeno come soluzione parziale. Questa classe di veicoli si basa sulla tecnologia delle celle a combustibile in cui l'idrogeno (in una reazione con l'ossigeno) genera l'elettricità necessaria per alimentare il veicolo, con solo acqua e calore come prodotti collaterali. Anche se questo sembra ideale, l’idrogeno può essere considerato climaticamente neutro solo se prodotto utilizzando fonti energetiche rinnovabili. Nel 2020 in Germania sono stati prodotti complessivamente 57 TWh di idrogeno, di cui un terzo derivante dallo steam reforming di combustibili fossili, e quindi direttamente collegato alle elevate emissioni di CO2 [2]. La quota globale di idrogeno derivato da fonti energetiche rinnovabili note come «idrogeno verde» meno dell’1%, indicando in modo allarmante dove occorre spostare l’attenzione per avere un impatto.

Elettrolisi dell'acqua

La soluzione proposta per evitare le eccessive emissioni di CO2 durante la produzione di idrogeno prevede la scissione elettrochimica dell'acqua. L’energia elettrica necessaria per la reazione endotermica di scissione dell’acqua viene fornita da fonti rinnovabili, con conseguente produzione di idrogeno verde.

Tra le diverse tecnologie di elettrolisi disponibili per la produzione su scala industriale, gli elettrolizzatori ad acqua alcalina e gli elettrolizzatori ad acqua con membrana elettrolitica polimerica (PEM) sono quelli più comunemente utilizzati. Di questi due, il secondo fornisce una densità di corrente fino a quattro volte superiore ed è più adattabile all'input elettrico, talvolta piuttosto imprevedibile, proveniente da fonti di energia rinnovabile. [3]. Rispetto all’effettiva espansione dei prezzi dei combustibili fossili, l’idrogeno verde è diventato pienamente competitivo in termini di costi e in alcune parti del mondo addirittura più economico dell’idrogeno derivato da fonti di combustibili fossili.

Ciò fa sorgere la seguente domanda: cosa impedisce a questa tecnologia di detenere una quota maggiore della produzione globale di idrogeno?

L’idrogeno verde può decarbonizzare il settore della mobilità in futuro?

Per rispondere a questa domanda, ci concentreremo sugli elettrolizzatori ad acqua PEM (PEM-WE). Questi elettrolizzatori possono operare convenientemente in condizioni dinamiche, consentendo il loro accoppiamento con fonti di energia rinnovabile. Infine, l’elettricità in eccesso può essere immagazzinata sotto forma di idrogeno.

Affinché ciò accada, nella cella PEM devono avvenire due reazioni elettrochimiche. All'anodo, l'acqua viene ossidata per generare ossigeno, elettroni e protoni nella reazione nota come reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER). Di conseguenza, i protoni vengono condotti attraverso la membrana e ridotti al catodo per formare idrogeno (Figura 1). 

Nonostante l’idrogeno sia il prodotto desiderato, il collo di bottiglia di questo processo è l’OER lento che influenza direttamente l’efficienza complessiva dell’elettrolizzatore ad acqua. Alti potenziali vengono applicati per superare il problema cinetico dell'OER che, insieme all'ambiente acido originato da una membrana elettrolitica polimerica, crea condizioni piuttosto difficili nella cella, limitando così la scelta dei catalizzatori per questa reazione principalmente ai metalli nobili.

Iridium in soccorso, a caro prezzo

Tra i numerosi materiali ricercati, i catalizzatori a base di iridio hanno offerto il miglior compromesso tra attività catalitica e durata [4]. Tuttavia, questo è anche il problema principale per quanto riguarda il successo dell’elettrolisi dell’acqua PEM. La disponibilità stimata di iridio è di circa sette tonnellate all'anno, rendendolo uno dei metalli più rari al mondo [5].

Le basse quantità di iridio disponibile, insieme alle volatili tendenze della domanda-offerta e ai fattori di forza maggiore legati ai principali siti minerari, si riflettono nel suo prezzo che è salito alle stelle nel 2023 fino a circa 150.000 euro al kg (in calo da un massimo di 172.200 euro al kg). kg a fine aprile 2022) [6].

Tenendo presente il costo elevato e imprevedibile e la disponibilità dell’iridio, una delle principali sfide scientifiche è trovare un modo per ridurre il carico del catalizzatore a base di iridio utilizzato nel PEM-WE mantenendo allo stesso tempo prestazioni e durata elevate. Curiosamente, Bernt et al.[7] hanno calcolato che se il settore dei trasporti dovesse essere decarbonizzato entro il 2100 utilizzando veicoli alimentati a idrogeno, la densità di potenza specifica dell’iridio dovrebbe essere ridotta di un fattore 50 rispetto allo stato attuale.

Nanomateriali per la conversione energetica sostenibile

La gravità di questa sfida è la forza trainante della ricerca di Marko Malinović condotta nel gruppo del Prof. Dr. Marc Ledendecker. Progettare un catalizzatore efficiente e durevole a base di iridio con una quantità ridotta di metallo nobile non è un compito banale. Numerosi modelli di catalizzatori (Figura 1) sono riportati in letteratura che affrontano questa sfida, comprendendo iridio metallico nudo, ossidi metallici, ossidi metallici misti, strutture nucleo-guscio, ossidi lisciviati e materiali nanostrutturati [8]. La ricerca di Marko si concentra sui materiali a base di ossido di iridio poiché possono potenzialmente offrire una conduttività simile a quella del metallo ma anche una maggiore durata rispetto alle loro controparti metalliche.

Per garantire il massimo utilizzo del catalizzatore, la ricerca di Marko mira a sintetizzare nanomateriali che possiedono elevati rapporti superficie-volume poiché solo la superficie del catalizzatore partecipa attivamente alla catalisi. Anche se l'ossido di iridio amorfo (IrO2) è ben noto per la sua attività superiore nei confronti dell'OER, la durabilità non è ancora sufficiente a garantire tempi di funzionamento più lunghi [9]. L'ossido di iridio cristallino ottenuto a temperature ≥400 °C ha un'influenza positiva sulla stabilità del catalizzatore [10]. Tuttavia, le elevate temperature di calcinazione portano inevitabilmente ad una diminuzione dell'area superficiale cataliticamente attiva.

La nuova via di sintesi sviluppata dal gruppo di ricerca Ledendecker offre la possibilità di sintetizzare nanoparticelle di IrO2 con dimensione e morfologia preservate anche dopo il trattamento termico ad alte temperature [11].Ciò che rende unico questo metodo è il fatto che il miglioramento della durabilità non va a scapito dell’area superficiale cataliticamente attiva. Pertanto, viene garantito l'obiettivo primario di utilizzo massimizzato del catalizzatore.

I prossimi passi

È necessaria un'ulteriore riduzione della quantità di questo prezioso metallo nobile. Ciò potrebbe essere garantito attraverso l’introduzione di un materiale abbondante sulla terra come materiale del nucleo che viene successivamente rivestito con un sottile strato di IrO₂, creando una struttura nota come «core-shell» (Figura 1) [12].

La selezione del materiale del nucleo giusto potrebbe avere un impatto cruciale sulle proprietà elettrochimiche finali del guscio di ossido di iridio attivo. Oltre alla compatibilità termodinamica tra il materiale del nucleo e quello del guscio, i principali presupposti che i materiali del nucleo devono soddisfare per essere presi in considerazione sono la loro conduttività metallica e la resistenza alla corrosione in un mezzo acido [13]. Tenendo presente che la resistenza alla corrosione dei metalli non nobili nelle condizioni operative del PEM-WE è discutibile, questo compito è di grande importanza e riceverà particolare attenzione nei futuri piani di ricerca di Marko.