Risparmio di platino nella produzione di idrogeno
L’Università Tecnica di Vienna dimostra come sia possibile risparmiare fino all’88% del platino utilizzato negli elettrolizzatori a idrogeno
Annunci
L’elettrolisi dell’idrogeno è una tecnologia importante per il futuro. Tuttavia, attualmente richiede quantità significative di platino, un materiale costoso. Nuovi risultati dell’Università Tecnica di Vienna (TU Wien) dimostrano che potrebbe essere sufficiente una quantità molto inferiore.
Qual è lo spessore minimo che deve avere lo strato di platino per evitare che venga distrutto?
© TU Wien
Si prevede che l’idrogeno diventi un importante vettore energetico del futuro, in particolare per le applicazioni industriali. Ciò richiede però tecnologie rispettose del clima in grado di scindere l’acqua in idrogeno e ossigeno. Una delle principali sfide è rappresentata dai costi: l’elettrolisi dell’acqua con membrana a scambio protonico (PEM) richiede componenti in grado di resistere a condizioni altamente corrosive. Alcuni di questi componenti sono rivestiti di platino.
Gli esperimenti condotti presso la TU Wien hanno ora esaminato più da vicino i processi elettrochimici che avvengono in tali rivestimenti di platino. I risultati mostrano che, se il rivestimento è progettato correttamente, è necessaria una quantità di platino significativamente inferiore rispetto a quella comunemente utilizzata oggi. Ciò potrebbe rendere l’elettrolisi notevolmente meno costosa.
Scindere l’acqua con l’elettricità
Il principio di base dell’elettrolisi dell’acqua è semplice: la corrente elettrica viene utilizzata per scindere le molecole d’acqua. Su un elettrodo si formano molecole di ossigeno (O₂), ioni idrogeno con carica positiva (protoni) ed elettroni. I protoni migrano attraverso una membrana verso il secondo elettrodo, dove si combinano con gli elettroni per formare molecole di idrogeno (H₂).
L’implementazione tecnica, tuttavia, è più complessa. «L’elettrolisi crea un ambiente chimico dannoso per molti componenti metallici. Il metallo può dissolversi, mentre contemporaneamente possono formarsi strati di ossido che ostacolano il flusso della corrente elettrica», spiega Helmut Riedl-Tragenreif dell’Istituto di Scienza e Tecnologia dei Materiali della TU Wien. «Affinché il sistema rimanga operativo a lungo, i diversi componenti devono essere accuratamente abbinati tra loro. Le piastre bipolari svolgono qui un ruolo particolarmente importante, rappresentando fino al 30 per cento dei costi totali del sistema».
Queste piastre svolgono diverse funzioni contemporaneamente: garantiscono la stabilità meccanica, conducono la corrente elettrica e consentono il trasporto di acqua e gas. Il titanio è particolarmente adatto a questo scopo poiché è altamente resistente alla corrosione anche in condizioni aggressive. Tuttavia, sulla superficie del titanio si forma uno strato di ossido che ostacola il flusso di corrente.
Per questo motivo, tali piastre bipolari vengono rivestite con un sottile strato di platino. Il platino conduce l’elettricità, è resistente alla corrosione e protegge il titanio sottostante. Finora, tuttavia, una questione importante rimaneva aperta: quale deve essere effettivamente lo spessore di questo strato di platino?
Questo aspetto è stato studiato in modo sistematico presso la TU Wien. Il risultato è sorprendente: nelle condizioni esaminate, uno strato di platino dello spessore di soli 24 nanometri si è rivelato sufficiente. Con uno spessore di otto nanometri, invece, si sono verificati evidenti problemi.
Rispetto a un rivestimento di 200 nanometri, come quelli attualmente utilizzati nell’industria, ciò significa che si potrebbe potenzialmente risparmiare circa l’88 per cento del platino impiegato per lo strato protettivo. «Oggi si utilizzano spesso rivestimenti di platino spessi diverse centinaia di nanometri. I nostri risultati dimostrano quanto sia grande il potenziale di risparmio», afferma Riedl-Tragenreif. Risparmiare platino
Un circolo vizioso autodistruttivo
Per dimostrarlo, non basta semplicemente produrre un rivestimento che inizialmente funzioni. È inoltre necessario indagare quanto esso rimanga resistente in condizioni operative aggressive. «Abbiamo analizzato i rivestimenti prima e dopo lo stress elettrochimico utilizzando metodi ad alta risoluzione», spiega Riedl-Tragenreif. «Una questione particolarmente importante è se nel rivestimento si sviluppino difetti microscopici».
Tali difetti possono innescare un circolo vizioso: se lo strato protettivo di platino viene danneggiato in un punto, il titanio sottostante può essere attaccato. Il titanio si ossida e all’interfaccia possono formarsi anche piccole bolle di ossigeno. Ciò può generare sollecitazioni meccaniche e danneggiare ulteriormente il rivestimento in platino. Possono staccarsi sezioni più ampie del rivestimento, esponendo una quantità ancora maggiore di titanio — e il processo accelera.
Per lo strato di platino da otto nanometri, i ricercatori hanno effettivamente trovato chiare indicazioni di tali danni: dopo lo stress elettrochimico, il rivestimento presentava difetti più estesi, mentre nell’elettrolita venivano rilasciati una quantità significativamente maggiore di ioni di titanio e platino.
Il rivestimento da 24 nanometri, al contrario, è rimasto in gran parte intatto nelle condizioni studiate e ha mantenuto la sua buona conduttività elettrica. Il rilascio di ioni metallici è stato mantenuto a un livello molto basso.
«Lo spessore del rivestimento realmente ottimale dipende da molti fattori, tra cui la tecnica di produzione e l’uniformità del rivestimento. Ma ciò che abbiamo chiaramente dimostrato è che esiste un notevole potenziale per ridurre il consumo di platino negli elettrolizzatori. Dal punto di vista della scienza dei materiali, gli spessori di rivestimento comunemente utilizzati oggi non sono necessariamente indispensabili», afferma Riedl-Tragenreif.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Altre notizie dal dipartimento scienza
