Produzione di idrogeno dall'acqua di mare

L'acqua di mare, che comprende oltre il 95% dell'acqua terrestre, potrebbe diventare una risorsa chiave nella produzione sostenibile di combustibile a idrogeno pulito con l'uso di catalizzatori per la scissione dell'acqua sviluppati da un team guidato da KAUST.

La scissione dell’acqua potrebbe offrire un modo interessante per raggiungere la neutralità del carbonio, soprattutto se abbinata a fonti di energia rinnovabile come l’energia solare ed eolica. La scissione dell'acqua comporta la scomposizione dell'acqua in una cella elettrochimica per produrre idrogeno al catodo mentre si genera ossigeno all'anodo sotto tensione applicata. Tuttavia, i catalizzatori per l’evoluzione dell’idrogeno e dell’ossigeno che funzionano bene in acqua dolce diventano meno efficaci nell’acqua di mare a causa dell’abbondanza di ioni che possono promuovere reazioni indesiderate e catalizzatori avvelenati.

Gli ioni cloruro altamente corrosivi presenti nell'acqua di mare subiscono reazioni complesse che competono con l'evoluzione dell'ossigeno e generano composti dannosi, come l'ipoclorito. Poiché la produzione di idrogeno dipende da reazioni stabili ed efficienti su entrambi gli elettrodi, questi ioni rappresentano una sfida importante per la scissione dell’acqua di mare.

La chimica spiega che la formazione di ipoclorito può verificarsi perché richiede una tensione operativa inferiore per soddisfare le esigenze industriali rispetto alla reazione di evoluzione dell'ossigeno.

Un modo per affrontare questo problema è progettare catalizzatori anodici selettivi con requisiti di tensione inferiori. Un catalizzatore anodico monostrato di nichel-iridio ha mostrato prestazioni e stabilità migliorate nell'acqua di mare grazie agli effetti sinergici tra i suoi componenti metallici.

Il team ha ideato un approccio che fornisce elettrocatalizzatori stabili e ad alta efficienza per l'evoluzione dell'idrogeno per la scissione dell'acqua di mare. I ricercatori hanno creato minuscoli reattori cubici, in cui il catalizzatore era racchiuso in un guscio protettivo di solfuro di molibdeno. Il nucleo del catalizzatore era costituito da un composto attivo redox a base di molibdeno supportato da carbonio e presentava una struttura nanoporosa ordinata simile alla zeolite.
Utilizzando un approccio basato su una struttura metallo-organica, i ricercatori hanno combinato precursori di complessi metallici con il legante imidazolo in presenza di tensioattivo per generare cubetti di zinco-molibdeno simili alla zeolite. Hanno mescolato le strutture risultanti con tioacetamide in etanolo sotto riflusso per formare una fase cubica di ossido di molibdeno confinata in un sottile guscio di solfuro di zinco.

Successivamente, hanno convertito chimicamente la fase cubica nel composto attivo redox incapsulato con solfuro di molibdeno desiderato ad alta temperatura prima di attaccare selettivamente lo strato esterno di solfuro di zinco per produrre i nanoreattori.

I nanoreattori hanno mostrato un'elevata attività elettrocatalitica e stabilità sia nell'acqua dolce che nell'acqua di mare. "La notevole attività e stabilità sono attribuite alla loro struttura unica."

Il nucleo mostrava numerosi siti attivi che aumentavano la produzione di idrogeno e il guscio presentava diversi difetti all’interno dei suoi strati, in particolare fori di dimensioni subnanometriche che consentivano alle molecole d’acqua di permeare e accedere ai siti attivi interni.

Agendo come una cotta di maglia, il guscio bloccava e impediva anche il deposito dei sali sui siti attivi.
L'architettura gerarchica del nanoreattore isola l'elettrolisi dalle reazioni collaterali. "Simile a una casa intelligente, la reazione principale avviene nelle stanze mentre le reazioni secondarie avvengono nel cortile."

Che ci crediate o no, l’acqua di mare costituisce un’ottima base per il carburante. Questo perché l'acqua di mare contiene un cocktail di elementi come idrogeno, ossigeno, sodio e altri, tutti essenziali per la prosperità della vita sulla Terra. La parte del carburante qui proviene dall'idrogeno presente nell'acqua di mare. Sfortunatamente, estrarre l’idrogeno dal resto degli elementi è stata una vera sfida, almeno fino ad ora.

Il dispositivo produce ciò che equivale al carburante dell'acqua di mare iniettando l'acqua di mare in un sistema a imbuto che la guida attraverso un sistema di filtraggio a doppia membrana. Questo sistema utilizza anche l’elettricità per estrarre con successo l’idrogeno dall’acqua di mare, separandolo efficacemente dagli altri elementi presenti nei nostri oceani. I risultati di questo nuovo studio mostrano che potrebbe contribuire a portare avanti nuovi sforzi per produrre carburanti a basse emissioni di carbonio.

La grande vittoria qui è stata che il sistema non ha creato una serie di sottoprodotti dannosi, cosa che hanno visto in altri sistemi. La maggior parte degli attuali sistemi acqua-idrogeno utilizzano una membrana a strato singolo. Tuttavia, questa volta i ricercatori hanno unito due strati e hanno mostrato un modo migliore per controllare il modo in cui gli ioni nell’acqua di mare si muovevano all’interno dell’esperimento, rendendolo più efficace.

Essere in grado di creare combustibile a idrogeno utilizzando l’acqua di mare si rivelerebbe utile perché è un combustibile a basso contenuto di carbonio, attualmente utilizzato per far funzionare veicoli elettrici a celle a combustibile e funziona anche come opzione di stoccaggio a lungo termine per le reti energetiche. I precedenti tentativi di produrre gas idrogeno richiedono acqua dolce o desalinizzata e, sebbene abbiamo visto sistemi di desalinizzazione dell’acqua di successo, sono molto più costosi e ad alto consumo energetico.
Questo perché purificare l'acqua prima di usarla richiede sistemi costosi, nonché energia e persino una maggiore complessità del dispositivo, mentre un dispositivo che può utilizzare l'acqua di mare per creare combustibile a idrogeno non richiederebbe quelle parti extra.

Produrre idrogeno dall’acqua di mare sembra un sogno diventato realtà!
È abbondante, gratuito e facile.
L'acqua di mare è una fonte quasi illimitata di materie prime e qui non c'è nessuno che possa fatturarla. Chiunque può averne un secchio pieno gratuitamente.
I principali attori del settore sono destinati ad innamorarsi dell’idea.
Il processo di estrazione dell’idrogeno è semplice. L'acqua di mare contiene una grande quantità di gas idrogeno disciolto. Per estrarlo è necessaria una semplice elettrolisi: lo facevamo anche da adolescenti durante le lezioni di fisica!

Ecco come funziona
È naturale, conservabile e sicuro
L’acqua di mare è considerata una fonte di energia rinnovabile che potrebbe aiutare a ridurre la nostra dipendenza dall’energia fossile. E il processo di estrazione non genera emissioni di carbonio.

L'idrogeno può essere immagazzinato
L’idrogeno immagazzinato può essere utilizzato per generare elettricità o alimentare veicoli esattamente quando necessario.
Compensa l’intermittenza di altre energie rinnovabili – giorni piovosi o senza vento. È perfetto per le regioni con accesso a grandi quantità di acqua di mare ma con poche risorse energetiche convenzionali.
Può contribuire a ridurre il riscaldamento globale, garantire la sicurezza energetica e proteggere l’ambiente.

Facile, davvero
Il processo è ad alta intensità energetica: l’estrazione dell’idrogeno dall’acqua di mare richiede un’elevata quantità di energia e l’efficienza complessiva è piuttosto bassa.
La produzione è costosa: costruire l’infrastruttura richiede un investimento iniziale molto elevato. Anche la manutenzione è fondamentale, poiché il contenuto di sale dell’acqua di mare può causare corrosione e altri problemi tecnici.
Le ubicazioni sono rare: questi siti devono considerare la profondità e la qualità dell’acqua, nonché la vicinanza alle fonti energetiche. Non tutte le regioni sono adatte alla produzione di idrogeno dall’acqua di mare!
E infine, non è così sicuro come potresti pensare!

Il processo libera il gas di cloro.
Questo gas si combina con altri elementi naturali e forma diossine che inquinano l'acqua, contaminano i pesci e si trasferiscono agli esseri umani e agli animali più grandi che mangiano i pesci.

Vuoi qualche esempio con cui si combina
Water =>acido cloridrico, effetto tossico acuto su tutte le forme di vita.
Hydrogen =>gas di acido cloridrico, composto altamente esplosivo
Acetilene, un gas che può essere prodotto da alcuni organismi marini come batteri e alcune specie di alghe. Si combina in dicloroetano, un composto altamente esplosivo.

Etere, tracce in alcune specie di alghe. Si combina nella cloroacetaldeide, un composto altamente tossico e cancerogeno.
Ammoniaca, comunemente prodotta da organismi marini. Si combina nelle clorammine, un irritante respiratorio altamente tossico.
Un’innovazione promettente con il potenziale per rivoluzionare il settore dell’energia pulita
La produzione di idrogeno dall’acqua di mare potrebbe fare una drastica differenza e contribuire ad affrontare il riscaldamento globale in modo più sostenibile.
Ha anche il potenziale per ridurre la nostra dipendenza dai combustibili fossili e procedere verso un futuro più pulito, sostenibile e conveniente.
Queste promesse rendono fin troppo facile trascurare le numerose sfide e i rischi coinvolti.
Questo è il mio appello ai principali attori economici ed energetici: per favore, facciamo un respiro profondo, sediamoci e pensiamoci per un momento.

I ricercatori hanno affermato nel comunicato stampa che lavorare con l’acqua di mare sarebbe un’opzione più economica, poiché purificare l’acqua è costoso, richiede molta energia e aggiunge complessità ai dispositivi. Inoltre, l’acqua dolce naturale contiene impurità che rappresentano un problema per la tecnologia moderna, oltre ad essere una risorsa limitata sul pianeta.
Oltre a sviluppare un sistema di membrana acqua di mare-idrogeno, il team ha osservato che lo studio ha fornito una migliore comprensione generale di come gli ioni dell'acqua di mare si muovono attraverso le membrane. Questa conoscenza potrebbe essere applicata ad altri campi, come la produzione di ossigeno gassoso.
Inoltre, hanno affermato che la comprensione del flusso ionico e della conversione nel sistema della membrana bipolare è essenziale per lo sforzo di produrre ossigeno attraverso l’elettrolisi, e il team ha dimostrato che la membrana bipolare potrebbe generare ossigeno gassoso oltre a produrre idrogeno nel loro esperimento.
Il team mira a migliorare gli elettrodi e le membrane utilizzando materiali più facilmente disponibili e facilmente estraibili. Questo miglioramento nella progettazione potrebbe rendere molto più semplice il ridimensionamento del sistema di elettrolisi a una dimensione necessaria per generare idrogeno per attività ad alta intensità energetica come i trasporti.

I prodotti vengono venduti in tutte le regioni della Cina ed esportati in paesi di tutto il mondo. Sono stati venduti in più di 20 paesi e regioni tra cui Stati Uniti, Germania, Marocco, Kenya, Arabia Saudita, Vietnam, Algeria, India, Tanzania e Taiwan. Hanno fornito con successo aziende rinomate come China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group e altre aziende rinomate. Ci sono molte stazioni di idrogenazione dell'idrogeno verde come Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, ecc. che forniscono progetti verdi e per la produzione di idrogeno.