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Un miracolo senza catalizzatori di metalli preziosi: in che modo l'elettrolisi AEM consente di produrre idrogeno a costi contenuti?
Con l'aumento della domanda globale di energia rinnovabile, il potenziale dell'idrogeno come fonte di energia pulita ha attirato molta attenzione. Tuttavia, i metodi tradizionali di produzione dell'idrogeno spesso richiedono costosi catalizzatori di metalli preziosi, il che in una certa misura limita l'applicazione diffusa dell'idrogeno. Di recente, l'avvento della tecnologia dell'elettrolisi con membrana a scambio anionico (AEM) ha aperto nuove e convenienti strade per la produzione di idrogeno.
L'elettrolisi AEM è una tecnologia che utilizza una membrana semipermeabile per condurre gli ioni idrossido (OH−) per eseguire l'elettrolisi dell'acqua.
Vantaggi tecnici
Il vantaggio principale dell'elettrolisi AEM è che può utilizzare catalizzatori di metalli di transizione a basso costo anziché costosi catalizzatori di metalli preziosi. Ciò è in contrasto con l'elettrolisi con membrana a scambio protonico (PEM), che si basa su metalli rari come platino e rutenio come catalizzatori, rendendo la tecnologia PEM economicamente non sostenibile. Ad esempio, si prevede che un elettrolizzatore PEM da 100 MW richiederà 150 kg di rutenio, il che comporterebbe un costo di circa 7 milioni di dollari.
Gli elettrodi dell'elettrolizzatore AEM possono essere utilizzati in acqua pura o in soluzioni leggermente alcaline (ad esempio 0,1-1 M KOH/NaOH), il che riduce il rischio di perdite.
Rispetto alla tradizionale tecnologia di elettrolisi dell'acqua alcalina (AWE), l'elettrolisi AEM offre maggiore flessibilità e migliora l'utilizzo del catalizzatore. Il rapporto afferma che il requisito di tensione per l'elettrolizzatore AEM quando funziona con una fornitura di acqua pura senza catalizzatori di metalli preziosi è di 1,8 volt, mentre sono necessari solo 1,57 volt quando si utilizza una soluzione di KOH 1 M. Ciò dimostra che l'elettrolizzatore AEM ha buone prestazioni in termini di efficienza energetica.
Sfide attuali
Sebbene la tecnologia dell'elettrolisi AEM mostri un grande potenziale, deve ancora affrontare alcune sfide, soprattutto in termini di durata. Attraverso un'analisi della letteratura scientifica, si è scoperto che la durata degli attuali elettrolizzatori AEM in assenza di catalizzatori di metalli preziosi è concentrata principalmente tra 2000 e 7000 ore. Questo valore è relativamente inadeguato rispetto alla durata utile di un elettrolizzatore PEM, che va da 20.000 a 80.000 ore.
La tecnologia di elettrolisi AEM è ancora nelle prime fasi di ricerca e sviluppo e non è ancora disponibile una letteratura adeguata rispetto alla tecnologia di elettrolisi PEM commerciale.
Oltre ai problemi di durabilità, anche la stabilità chimica dell'AEM è un problema, perché è molto sensibile all'attacco degli ioni idrossido. Pertanto, la ricerca futura dovrà concentrarsi sul miglioramento dei materiali delle membrane e ricercare progetti AQE che aumentino la conduttività e la resistenza alle alte temperature.
Principi scientifici
Il processo di reazione nell'elettrolisi AEM è ugualmente complesso. La reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER) richiede quattro elettroni per generare una molecola di ossigeno. Il processo multi-step di questa reazione porta a una barriera ad alta energia, che a sua volta aumenta la sovratensione richiesta per la reazione. Inoltre, la cinetica della reazione di sviluppo dell'idrogeno (HER) è più lenta nelle soluzioni alcaline rispetto alle soluzioni acide, a causa del coinvolgimento di un ulteriore passaggio di dissociazione protonica negli ambienti alcalini.
Prospettive future
L'applicazione di successo della tecnologia di elettrolisi AEM richiede non solo uno sviluppo migliore dei materiali, ma anche la collaborazione all'interno del settore per risolvere le sfide attuali. In questo processo, fattori chiave saranno l'individuazione di catalizzatori adatti e il miglioramento della durata e della stabilità della membrana.
La promozione di tecnologie di produzione di idrogeno a basso costo e ad alta efficienza sarà al centro dello sviluppo futuro dell'energia sostenibile.
Con la continua innovazione della tecnologia di produzione dell'idrogeno, possiamo contare sulla tecnologia di elettrolisi AEM per rimodellare il panorama energetico globale?
