Una cella ceramica raddoppia la resa di idrogeno pulito dal vapore industriale

Estrarre idrogeno dal vapore all'interno degli impianti industriali

La maggior parte dell'idrogeno industriale è attualmente prodotta tramite il reforming del gas naturale, un processo che rilascia grandi volumi di anidride carbonica. Gli stabilimenti chimici si affidano a quantità significative di questo gas per raffinare carburanti, sintetizzare fertilizzanti e produrre plastica. Gli elettrolizzatori convenzionali ad acqua liquida richiedono una notevole quantità di elettricità per separare l'acqua liquida in idrogeno e ossigeno, rappresentando una barriera ad alta intensità energetica per la sostenibilità industriale.

Per affrontare questa sfida, gli ingegneri chimici dell'Università di Groningen hanno progettato una cella elettrolitica ceramica protonica (PCEC), un'invenzione riportata da Interesting Engineering. A differenza dei sistemi liquidi standard, le PCEC trattano il vapore acqueo a temperature intermedie tra 400°C e 650°C, in linea con le condizioni termiche di scarico già generate all'interno degli impianti chimici.

«Abbiamo scoperto una sinergia tra i materiali della membrana e degli elettrodi finora trascurata. La nostra ricerca aveva inizialmente una direzione diversa, ma i primi risultati ci hanno fatto pensare a un percorso completamente nuovo.»

— Dr. Vassilis Kyriakou, ricercatore principale all'Università di Groningen

Come la membrana ceramica separa l'idrogeno puro

Il cuore della PCEC si basa su una membrana ceramica a selettività ionica. Quando il vapore entra nella cella e incontra la corrente elettrica, si scompone in ossigeno e ioni idrogeno caricati positivamente, noti come protoni. Poiché solo i protoni dell'idrogeno sono abbastanza piccoli da attraversare i pori del materiale ceramico, gli altri elementi restano sul lato opposto della barriera.

Una volta che i protoni attraversano la membrana, una carica negativa opposta consente loro di acquisire elettroni e ricombinarsi in idrogeno molecolare (H2). Secondo Interesting Engineering, questa migrazione selettiva isola completamente l'idrogeno dagli altri gas. Di conseguenza, il dispositivo elimina i costosi passaggi di purificazione richiesti dagli elettrolizzatori convenzionali.

Un elettrodo perovskite autoassemblante

Un ostacolo tecnico ricorrente nella progettazione delle PCEC è stato trovare un elettrodo capace di resistere a condizioni severe e ad alta temperatura senza perdere velocità catalitica. Un team di ricerca guidato dall'inventore Dr. Vassilis Kyriakou ha risolto il problema creando un elettrodo autoassemblante basato su una matrice di ossido di perovskite.

Quando i ricercatori hanno riscaldato l'assemblaggio in aria ambiente, gli ioni sono migrati attraverso l'interfaccia che collega la membrana e l'elettrodo. Questo movimento spontaneo ha fatto emergere nanoparticelle di ossido di praseodimio sulla superficie. Per aumentare l'efficienza, il team ha sottoposto la superficie a un lavaggio acido, moltiplicando il numero di siti catalitici attivi nel materiale.

Guadanagni di efficienza e future applicazioni

L'innovazione elettrochimica risultante ha dimostrato una notevole resistenza durante i test di laboratorio. La cella modificata ha completato più di 500 ore di funzionamento continuo senza mostrare alcuna perdita misurabile di stabilità operativa, secondo Interesting Engineering.

Durante i test, il dispositivo ha convertito più del 95 percento della corrente elettrica fornita direttamente in idrogeno, raddoppiando la produzione ottenuta dai precedenti progetti ceramici. Integrandosi direttamente con il calore di scarto degli stabilimenti, il progetto offre un modello operativo per i processi industriali Power-to-X che intendono eliminare gradualmente il reforming del gas naturale, aprendo nuove strade per depositi di brevetto e commercializzazione delle tecnologie pulite.

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