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Il fascino della membrana a scambio anionico: come sfidare la tecnologia tradizionale dell'elettrolisi a basso costo?
Nell'attuale era della transizione energetica, come produrre idrogeno in modo efficace ed economico è diventata un'area che molti ricercatori continuano a esplorare. Tra le numerose tecnologie di elettrolisi, la tecnologia di elettrolisi con membrana a scambio anionico (AEM) ha ricevuto ampia attenzione grazie al suo potenziale di basso costo e alta efficienza. La caratteristica principale di questa tecnologia è l'uso di una membrana semipermeabile per condurre gli ioni idrossido (OH−). Questo tipo di membrana può eseguire efficacemente lo scambio ionico isolando i prodotti e fornendo isolamento elettrico.
La tecnologia dell'elettrolisi dell'acqua che utilizza membrane a scambio anionico non richiede costosi catalizzatori di metalli nobili, ma può utilizzare catalizzatori di metalli di transizione a basso costo, il che migliora notevolmente l'economia delle applicazioni su larga scala.
Vantaggi e sfide
Vantaggi
Il più grande vantaggio dell'elettrolisi AEM è che combina le caratteristiche dell'elettrolisi dell'acqua alcalina (AWE) e della tecnologia dell'elettrolisi con membrana a scambio protonico (PEM). La tecnologia AEM non solo può utilizzare catalizzatori di metalli non nobili (come Ni, Fe, Co, ecc.), ma può anche funzionare in acqua pura o soluzioni leggermente alcaline, il che aiuta a ridurre il rischio di perdite.
I costi operativi di AEM sono significativamente inferiori rispetto ai catalizzatori di metalli preziosi necessari per l'elettrolisi PEM, come platino e rutenio, rendendoli un'alternativa più praticabile.
Oltre ai vantaggi in termini di costi, la tecnologia di elettrolisi AEM può funzionare in un ampio intervallo operativo e può ridurre efficacemente il problema delle perdite incrociate dell'idrogeno, con una perdita di idrogeno controllata anche al di sotto dello 0,4%. Ciò non solo migliora l’efficienza del sistema ma aumenta anche la sicurezza.
Sfida
Sebbene la tecnologia dell'elettrolisi AEM presenti numerosi vantaggi, è ancora in fase iniziale di ricerca e deve affrontare molte sfide. Una delle sfide più grandi è la durabilità della membrana. Rispetto alla durata di vita dello stack di elettrolisi PEM, che varia da 20.000 a 80.000 ore, la durata dell'elettrolizzatore AEM è solo di circa 2.000 ore, il che limita la portata della sua applicazione commerciale.
Per superare queste sfide, il miglioramento della conduttività e della durabilità delle membrane è diventato il fulcro della ricerca attuale.
Inoltre, gli AEM hanno una stabilità insufficiente in ambienti ad alta temperatura e spesso non sono in grado di resistere a temperature superiori a 60°C, il che rappresenta un potenziale ostacolo al funzionamento di sistemi di elettrolisi su larga scala. Pertanto, è fondamentale trovare materiali di membrana stabili in grado di mantenere ambienti a pH elevato e ad alta temperatura.
Principi scientifici
Reazione
Nel processo di elettrolisi AEM, la reazione di generazione dell'ossigeno (OER) e la reazione di generazione dell'idrogeno (HER) sono fasi chiave della reazione. Queste reazioni devono superare barriere energetiche più elevate, soprattutto nelle reazioni di generazione di ossigeno, che si traducono in un aumento del sovrapotenziale a causa del processo di reazione in più fasi.
Catalizzatori efficienti possono ridurre il sovrapotenziale OER, migliorando così le prestazioni complessive degli elettrolizzatori AEM.
Membrana a scambio anionico
La progettazione delle membrane a scambio anionico è fondamentale per le loro prestazioni. In genere, i ricercatori utilizzano l'ammonio quaternario (QA) come principale gruppo di legame delle membrane, ma questo tipo di gruppo si degrada facilmente in un ambiente alcalino, quindi è necessario trovare alternative più stabili come i gruppi imidazolici.
Combinazione di elettrodi a membrana
Il gruppo membrana-elettrodo (MEA) è il componente principale dell'elettrolizzatore AEM, costituito da strati catalitici anodici e catodici e da uno strato intermedio di membrana. Il metodo di progettazione e preparazione dello strato catalitico influenzerà direttamente l'efficienza e le prestazioni dell'elettrolizzatore.
In generale, l'emergere della tecnologia di elettrolisi dell'acqua con membrana a scambio anionico segna una rivoluzione nella tecnologia dell'elettrolisi. Non solo migliora l’economia della produzione di idrogeno, ma riduce anche l’impatto ambientale e annuncia il futuro dell’energia rinnovabile. Quindi, in che modo il futuro settore energetico dell'idrogeno utilizzerà questa nuova tecnologia come pietra angolare per ottenere applicazioni più ampie?
