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La scissione dell’acqua di mare potrebbe fornire una fonte inesauribile di idrogeno verde

Dec 13, 2023

Poche soluzioni climatiche sono prive di svantaggi. L’idrogeno “verde”, prodotto utilizzando energia rinnovabile per dividere le molecole d’acqua, potrebbe alimentare veicoli pesanti e decarbonizzare industrie come quella siderurgica senza emettere un soffio di anidride carbonica. Ma poiché le macchine per la scissione dell’acqua, o elettrolizzatori, sono progettate per funzionare con acqua pura, l’incremento dell’idrogeno verde potrebbe esacerbare la carenza globale di acqua dolce. Ora, diversi gruppi di ricerca stanno segnalando progressi nella produzione di idrogeno direttamente dall’acqua di mare, che potrebbe diventare una fonte inesauribile di idrogeno verde.

"Questa è la direzione per il futuro", afferma Zhifeng Ren, fisico dell'Università di Houston (UH). Tuttavia, Md Kibria, chimico dei materiali presso l'Università di Calgary, afferma che per ora esiste una soluzione più economica: alimentare l'acqua di mare in impianti di desalinizzazione in grado di rimuovere il sale prima che l'acqua scorra verso gli elettrolizzatori convenzionali.

Oggi, quasi tutto l’idrogeno viene prodotto scomponendo il metano, bruciando combustibili fossili per generare il calore e la pressione necessari. Entrambi i passaggi rilasciano anidride carbonica. L’idrogeno verde potrebbe sostituire questo idrogeno sporco, ma al momento costa più del doppio, circa 5 dollari al chilogrammo. Ciò è in parte dovuto al costo elevato degli elettrolizzatori, che si basano su catalizzatori realizzati con metalli preziosi. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha recentemente lanciato uno sforzo decennale per migliorare gli elettrolizzatori e ridurre il costo dell’idrogeno verde a 1 dollaro al chilogrammo.

Se ci riuscissero e la produzione di idrogeno verde salisse alle stelle, la pressione potrebbe aumentare sulle forniture mondiali di acqua dolce. Per generare 1 chilogrammo di idrogeno mediante elettrolisi sono necessari circa 10 chilogrammi di acqua. Secondo l’Agenzia internazionale per le energie rinnovabili, far funzionare camion e industrie chiave con l’idrogeno verde potrebbe richiedere circa 25 miliardi di metri cubi di acqua dolce all’anno, equivalenti al consumo di acqua di un paese con 62 milioni di persone.

L’acqua di mare è quasi illimitata, ma dividerla comporta i suoi problemi. Gli elettrolizzatori sono costruiti in modo molto simile alle batterie, con una coppia di elettrodi circondati da un elettrolita acquoso. In un progetto, i catalizzatori al catodo dividono le molecole d'acqua in ioni idrogeno (H+) e idrossile (OH-). Gli elettroni in eccesso sul catodo uniscono le coppie di ioni idrogeno formando idrogeno gassoso (H2), che fuoriesce dall'acqua. Gli ioni OH-, nel frattempo, viaggiano attraverso una membrana tra gli elettrodi per raggiungere l'anodo, dove i catalizzatori trasformano l'ossigeno in ossigeno gassoso (O2) che viene rilasciato.

Quando si utilizza l’acqua di mare, tuttavia, la stessa scossa elettrica che genera O2 all’anodo converte anche gli ioni cloruro presenti nell’acqua salata in gas di cloro altamente corrosivo, che corrode gli elettrodi e i catalizzatori. Ciò in genere causa il guasto degli elettrolizzatori in poche ore quando normalmente potrebbero funzionare per anni.

Ora, tre gruppi stanno segnalando gli sforzi per fermare questa corrosione. I ricercatori guidati da Nasir Mahmood, uno scienziato dei materiali presso la RMIT University di Melbourne, hanno riferito nel numero dell'8 febbraio di Small che rivestendo i loro elettrodi con composti caricati negativamente come solfati e fosfati, potrebbero respingere gli ioni cloruro caricati negativamente e prevenire la formazione di cloro gassoso. Il team dell'RMIT non ha riscontrato praticamente alcun degrado dei suoi elettrodi per un massimo di 2 mesi, sebbene abbiano generato solo un filo di idrogeno. Da allora, in un lavoro inedito, i ricercatori hanno rafforzato la loro configurazione per produrre idrogeno alla stessa velocità degli elettrolizzatori commerciali per acqua dolce, afferma Mahmood.

Shizhang Qiao, un nanotecnologo dell'Università di Adelaide, e i suoi colleghi hanno apportato modifiche a un secondo tipo di elettrolizzatore che utilizza una membrana permeabile solo agli ioni H+. Questa configurazione divide le molecole d’acqua all’anodo invece che al catodo, strappando via gli elettroni per liberare ioni H+. Gli ioni migrano attraverso la membrana fino al catodo dove si combinano con gli elettroni per formare H2. Qiao e i suoi colleghi hanno rivestito i loro elettrodi con ossido di cromo, che ha attratto una bolla di ioni OH- che respingevano gli ioni cloruro. Il dispositivo divide l'acqua di mare per 100 ore a correnti elevate senza degradazione, riferiscono nel numero del 30 gennaio di Nature Energy. "Sono molto felice di vedere un design così intelligente", afferma Shou Chen, fisico dei materiali della UH.