Il catalizzatore per la scissione dell'acqua crea idrogeno a basse temperature
Il nuovo metodo di produzione di idrogeno dei ricercatori di Birmingham ha un costo inferiore rispetto ai metodi esistenti
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Una ricerca dell'Università di Birmingham ha dimostrato un nuovo metodo a bassa temperatura per la produzione di idrogeno, adatto sia alla produzione centralizzata di idrogeno che alla generazione locale utilizzando il calore di scarto degli impianti industriali su larga scala.
Gli scienziati guidati dal professor Yulong Ding hanno dimostrato che è possibile ridurre di 500oC la temperatura della scissione termochimica, in cui un catalizzatore scinde l'acqua in idrogeno e ossigeno, utilizzando un catalizzatore di perovskite.
University of Birmingham
L'idrogeno è l'elemento più abbondante nell'universo ed è un vettore energetico pulito ed ecologico. A differenza dei combustibili fossili, che producono emissioni nocive e anidride carbonica, produce solo calore e acqua durante la combustione e può anche alimentare celle a combustibile che producono elettricità. Tuttavia, mentre l'idrogeno è privo di carbonio al momento dell'utilizzo, il 95% della produzione attuale si basa su combustibili fossili.
La scissione termochimica, in cui un catalizzatore scinde l'acqua in idrogeno e ossigeno, sta emergendo come un metodo promettente per la produzione di idrogeno. Tuttavia, gli attuali catalizzatori scindono l'acqua a 700-1000oCe necessitano di temperature tra i 1300 e i 1500oCper rigenerarsi tra un ciclo e l'altro di scissione dell'acqua.
Gli scienziati guidati dal professor Yulong Ding della School of Chemical Engineering dell'Università hanno dimostrato che è possibile ridurre la temperatura di 500oCutilizzando un catalizzatore di perovskite.
La ricerca, pubblicata sull'International Journal of Hydrogen Energy, ha dimostrato che il catalizzatore può produrre rese sostanziali di idrogeno in un intervallo di temperatura compreso tra 150 e 500°Ce può essere rigenerato a temperature comprese tra 700 e 1000°C.
Il professor Ding ha dichiarato: "La temperatura complessiva più bassa del processo potrebbe consentire la produzione di idrogeno nelle vicinanze di impianti di generazione di energia rinnovabile e i settori industriali di fondazione come l'acciaio, il cemento, il vetro e i prodotti chimici hanno un'abbondanza di calore di scarto, che potrebbe essere sfruttato come input di calore per la produzione di idrogeno a bassa temperatura". Se l'idrogeno viene utilizzato localmente, si superano gli ostacoli rappresentati dallo stoccaggio e dal trasporto, consentendo così la diffusione dell'idrogeno combustibile senza la necessità di costose infrastrutture".
Un'analisi provvisoria della competitività dei costi ha dimostrato che la scissione dell'acqua con il catalizzatore di perovskite può fornire idrogeno a un costo inferiore rispetto all'idrogeno verde (prodotto dall'acqua mediante elettrolisi) o all'idrogeno blu (prodotto dal metano con cattura e stoccaggio del carbonio). Il vantaggio in termini di costi è stato più pronunciato nelle regioni con basse tariffe per le energie rinnovabili, come l'Australia.
La ricerca è stata condotta nel corso di una collaborazione con l'Università della Scienza e della Tecnologia di Pechino (USTB) e viene commercializzata nel Regno Unito e in Europa dall'Università di Birmingham. La University of Birmingham Enterprise ha depositato una domanda di brevetto sull'uso dei catalizzatori BNCF per la scissione dell'acqua a basse temperature e sta attualmente cercando partner per lo sviluppo di questo promettente approccio.
Perché la scissione termochimica?
L'idrogeno è l'elemento più abbondante nell'universo, ma è relativamente raro sulla terra sotto forma di idrogeno gassoso puro. Si trova principalmente legato ad altre molecole, più comunemente acqua e idrocarburi come il gas naturale contenente principalmente metano, carbone o petrolio. Queste molecole devono essere scisse nelle loro parti costitutive per produrre idrogeno.
Il metodo più utilizzato per la produzione di idrogeno prevede la scissione del metano mediante steam reforming. Questo metodo rappresenta quasi la metà dell'H2 prodotto oggi, ma produceCO2 come biprodotto, compromettendo il suo potenziale come fonte di energia priva di carbonio, a meno che non sia abbinato alla cattura e allo stoccaggio del carbonio. L'elettrolisi è un metodo più ecologico per produrreH2, ma è in concorrenza con l'idrogeno più economico generato dalla scissione del metano e di conseguenza fornisce solo il 4% dell'H2 fornito. I metodi fotonici utilizzano la luce per guidare la conversione chimica dell'acqua in idrogeno, ma sono ancora agli inizi e devono affrontare sfide significative in termini di efficienza, scalabilità ed economicità.
Il catalizzatore di perovskite
Le perovskiti sono materiali simili a reticoli in grado di assorbire le molecole di ossigeno nella loro struttura e di scindere le molecole contenenti ossigeno nelle loro parti costitutive.
Sebbene le perovskiti siano disponibili in molte forme, i ricercatori si sono concentrati su quelle fatte di bario, niobio, calcio e ferro (perovskiti BNCF), che sono facilmente reperibili e non richiedono una sintesi complessa, né contengono ingredienti tossici.
La ricerca ha dimostrato che le perovskiti BNCF accettano l'ossigeno nelle loro strutture a temperature notevolmente inferiori rispetto a quanto ritenuto in precedenza. La perovskite denominata BNCF100 è risultata essere la formulazione ottimale e lo studio ha confermato che il catalizzatore può essere rigenerato a temperature inferiori rispetto agli attuali catalizzatori per la scissione dell'acqua e mantenere la capacità di produrre idrogeno per oltre 10 cicli di produzione. La diffrazione dei raggi X ha mostrato pochi segni di cambiamento strutturale nel catalizzatore.
Il professor Ding ha dichiarato: "La nostra ricerca ha rivelato un catalizzatore in grado di produrre rese sostanziali di idrogeno a temperature relativamente basse, e uno studio tecno-economico preliminare dimostra che è economicamente vantaggioso rispetto alle vie blu e verdi consolidate per la produzione di idrogeno".
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