Idrogeno dall’acqua di mare: la ricerca cinese

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Redazione
21 Dicembre 2022
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Utilizzare elettricità rinnovabile per dividere l’acqua in idrogeno e ossigeno è considerato dagli esperti la strada più pulita per produrre idrogeno. Ma viviamo in un mondo in cui l’acqua pulita è un bene prezioso a cui un terzo del mondo non ha facile accesso. Ricercatori in Cina hanno ora realizzato un dispositivo in grado di dividere direttamente l’acqua di mare per produrre combustibile a idrogeno .

Il dispositivo, segnalato sulla rivista Nature, potrebbe offrire, secondo i suoi sviluppatori, un percorso pratico e sostenibile per produrre idrogeno. “[La nostra] strategia realizza un’elettrolisi diretta dell’acqua di mare efficiente, flessibile e scalabile, in un modo simile alla scissione dell’acqua dolce, senza un notevole aumento dei costi operativi”. Così Zongping Shao, professore di ingegneria chimica presso la Nanjing Tech University, in Cina.

Più del 90 percento dell’idrogeno è attualmente prodotto da combustibili fossili, il che comporta una quantità significativa di emissioni di anidride carbonica durante il processo. Gli oceani e i mari potrebbero essere una fonte infinita di idrogeno economico e privo di emissioni. Ma dividere l’acqua salata è difficile con gli attuali dispositivi di elettrolisi.

Gli elettrolizzatori hanno due elettrodi rivestiti da un catalizzatore che fanno passare la corrente attraverso l’acqua. Una membrana separa l’idrogeno e l’ossigeno, mentre i gas fuoriescono dall’acqua su entrambi i lati.

Ma le impurità nell’acqua di mare possono causare reazioni collaterali e corrosione. Nello specifico, i catalizzatori odierni convertono gli ioni cloruro nell’acqua di mare in cloro gassoso all’anodo. Il cloro è un gas estremamente reattivo e corrosivo e può degradare i catalizzatori e gli elettrodi, riducendo la durata del dispositivo.

Anche altri ioni nell’acqua di mare, come magnesio e calcio, reagiscono con il catalizzatore e formano sottoprodotti che possono bloccare le membrane. Inoltre, tutte queste reazioni collaterali riducono l’efficienza dell’elettrolizzatore.

Rimuovere i sali e le impurità dall’acqua di mare è un modo per aggirare il problema, ma la desalinizzazione e la purificazione richiedono molta energia e sono costose. In passato, i ricercatori hanno anche provato a rivestire i catalizzatori per prevenire queste reazioni collaterali. Questo approccio ha avuto un modesto successo e non è molto pratico. Altri hanno realizzato piccoli dispositivi di elettrolisi a energia solare su scala di laboratorio privi di membrana, ma in genere necessitano di pompe.

Shao ed Heping Xie dell’Università di Shenzhen ed i loro colleghi hanno scelto di mantenere la membrana. Hanno riprogettato il sistema di elettrolisi in modo da tenere gli ioni e le impurità lontani dagli elettrodi così che non ci siano reazioni secondarie o corrosione. Nel loro dispositivo, due elettrodi, separati da un film sottile che tiene separati l’ossigeno e l’idrogeno, sono immersi in una soluzione elettrolitica concentrata di idrossido di potassio. Membrane porose separano l’elettrolita dall’acqua di mare su ciascun lato. La membrana ricca di fluoro tiene fuori l’acqua liquida ma lascia passare il vapore acqueo.

Ora, quando l’elettricità passa attraverso gli elettrodi, divide l’acqua nella soluzione elettrolitica. La concentrazione della soluzione aumenta ulteriormente, creando una differenza di pressione tra l’elettrolita e l’acqua di mare all’esterno delle membrane. Ciò fa evaporare spontaneamente l’acqua di mare e il vapore acqueo si diffonde attraverso le membrane nell’elettrolita, dove si trasforma nuovamente in acqua liquida, reintegrando l’acqua che era stata elettrolizzata in precedenza.

In questo modo l’elettrolisi dell’acqua agli elettrodi mantiene un flusso costante di acqua pulita agli elettrodi, mentre tiene fuori gli ioni e altre impurità nell’acqua di mare all’esterno della membrana. “In questo modo non è necessaria energia aggiuntiva per garantire l’ingresso di acqua nel sistema. Il che significa che il consumo energetico del nostro elettrolizzatore è simile a quello di un elettrolizzatore alcalino industriale. Il costo della membrana è molto basso e ha migliori prestazioni antivegetative”. Così riporta Zongping Shao.

Per mostrare la praticità del progetto, il team ha realizzato un dispositivo dimostrativo contenente 11 celle di elettrolisi. L’hanno testato usando vera acqua di mare della baia di Shenzhen. Il sistema ha funzionato senza problemi per più di 130 giorni, producendo 386 litri di idrogeno all’ora.

I ricercatori stanno ora cercando di migliorare l’efficienza del sistema. Riportano che potrebbero migliorare le prestazioni provando elettroliti diversi dall’idrossido di potassio e materiali diversi per gli elettrodi e i catalizzatori.

Shao afferma che il dispositivo potrebbe essere utilizzato per produrre idrogeno recuperando allo stesso tempo risorse utili come il litio dall’acqua. E potrebbe essere esteso ad applicazioni diverse dalla produzione di idrogeno, come la pulizia delle acque reflue industriali.

Fonte articolo: IEEE Spectrum, rivista edita dall’Institute of Electrical and Electronics Engineers. Traduzione a cura di Duccio Braccaloni. Immagina di copertina: Nature.