Sbloccare la produzione efficiente di idrogeno per un'energia pulita

La continua crescita della popolazione e dell'economia mondiale ha portato ad un aumento significativo della domanda di energia, di cui circa l'80% è con dai combustibili fossili. Queste risorse non solo stanno diminuendo drasticamente, ma sono anche responsabili di un considerevole aumento gas serra (GHG) nell'ambiente.

Di conseguenza, ora c'è una crescente attenzione verso le fonti di energia rinnovabili, come il sole, vento, acqua, materia organica e la Terra .

Derivate da risorse naturali che si rigenerano da sole, le fonti di energia rinnovabile sono importanti per sistemi energetici puliti e sostenibili. Tuttavia, devono affrontare numerose sfide, tra cui la disponibilità irregolare, gli elevati costi iniziali, i limiti geografici e l'elevato fabbisogno di spazio. 

Questo Ed è qui che entra in gioco l'idrogeno. La domanda globale di idrogeno è salita a 97 milioni di tonnellate (Mt) nel 2023, in aumento del 2.5% rispetto all'anno precedente. 

Il ruolo dell'idrogeno nella transizione verso l'energia pulita

L'elemento più leggero dell'universo, idrogeno, si è rivelato una soluzione promettente per realizzare un ecosistema energetico più sostenibile grazie alla sua flessibilità e alla sua capacità di immagazzinare una quantità significativa di energia in rapporto al suo peso.

Non è una fonte primaria come il sole ma secondaria, poiché devono obbligatoriamente: be prodotta da altre materie prime come acqua, gas naturale o biomassa.

Se prodotto utilizzando combustibili fossili come il gas naturale (che è attualmente il metodo più comune), l'idrogeno non è energia pulita, poiché è responsabile di significative emissioni annuali di CO2.

Tuttavia, quando utilizzato in una cella a combustibile, l'idrogeno produce solo vapore acqueo come sottoprodotto, il che lo rende un combustibile pulito.

In quanto vettore energetico versatile, l'idrogeno può contribuire ad affrontare diverse sfide energetiche critiche. Può supportare l'integrazione delle energie rinnovabili nel sistema elettrico immagazzinando energia per settimane o addirittura mesi.

Idrogeno a basse emissioni prodotto con energia nucleare o rinnovabile, o combustibili fossili utilizzando la cattura del carbonio, nel frattempo, possono aiutare decarbonizzare una serie di settori. L’industria pesante e i trasporti a lunga distanza, dove la riduzione delle emissioni è particolarmente impegnativa, possono notevolmente trarne beneficio. Questa produzione di idrogeno, tuttavia, gioca ancora un ruolo marginale, a sotto 1% nel 2023.

L'idrogeno può effettivamente essere derivato da diverse tecnologie. Uno dei metodi più efficienti per produrre l'idrogeno sostenibile avviene tramite elettrolisi dell'acqua. In questa elettrolisi ad alta intensità energetica, l'elettricità viene usato per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno. La tecnologia è ben sviluppato and disponibile in commercio, anche se la sua efficienza energetica stimata è di circa il 52%.

Un altro approccio è la plasmolisi, che ha mostrato il resa energetica alla pari con elettrolisi, con l'aggiunta vantaggio di ridotto consumo energetico, costi di capitale inferiori e dimensioni più ridotte delle apparecchiature. I recenti progressi nella microfluidica e microplasmi hanno reso la produzione di idrogeno mediante plasmolisi del vapore acqueo redditizia in termini di efficienza energetica.

Altro modi per derivare l'idrogeno per la produzione di elettricità comprende la fotocatalisi, il bioidrogeno e i processi termochimici.

Scorri per scorrere →

Sebbene la tecnologia dell’idrogeno sia promettente, la sua diffusione uso ancora volti le difficoltà in termini di produzione costo, efficienza e sostenibilità ambientale complessiva. Tuttavia, data la necessità di fonti energetiche più pulite, i ricercatori di tutto il mondo stanno cercando costantemente di risolvere questi problemi con i nuovi materiali e tecnologia migliore.

Innovazioni catalizzatrici che guidano l'efficienza dell'idrogeno

Mentre le tecnologie dell’idrogeno progrediscono dal concetto alla commercializzazione, una delle sfide principali è con la materiali che rendono questi sistemi efficienti e scalabili. Per risolvere questo problema, gli scienziati stanno lavorando a diversi approcci.

Ad esempio, uno studio della sede centrale dell'Accademia cinese delle scienze, pubblicato¹ questo mese su Nature, ha presentato un minuscolo catalizzatore di ferro come alternativa al platino nelle celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC), con il potenziale di trasformare il futuro dell'energia pulita.

Le PEMFC sono dispositivi a energia pulita che producono elettricità da idrogeno e ossigeno, con l'acqua come unico sottoprodotto. Tuttavia, dipendono fortemente dal platino, un materiale raro e costoso, come catalizzatore. Quindi, per aiutare con Per favorirne l'adozione su larga scala, i ricercatori hanno sviluppato un catalizzatore a base di ferro ad alte prestazioni per queste celle a combustibile.

Grazie al suo ingegnoso design "attivazione interna, protezione esterna", il nuovo catalizzatore è in grado di raggiungere prestazioni eccellenti riducendo al contempo i sottoprodotti nocivi.

Sebbene i catalizzatori Fe/N–C siano tra le alternative più promettenti ai catalizzatori dei metalli del gruppo del platino, la loro attività e durata non riescono a soddisfare i criteri di prestazione. Così, la il team ha progettato e sviluppato un nuovo tipo di catalizzatore Fe/N–C fatto di numerose nanoprotrusioni distribuite su strati di carbonio 2D con singoli siti di atomi di Fe incorporati nella superficie curva interna delle nanoprotrusioni. 

Di conseguenza, il nuovo catalizzatore è stato in grado di fornire “una delle migliori prestazioni” tra le PEMFC prive di metalli del gruppo del platino, con una ritenzione di attività dell’86% anche dopo oltre 300 ore di funzionamento continuo.

Un'altra tecnologia chiave per produrre idrogeno in modo climaticamente neutro attraverso l'elettrolisi dell'acqua è l'elettrolisi dell'acqua con membrana a scambio protonico (PEM-WE).

Per accelerare la reazione desiderata, gli elettrodi sono rivestiti con elettrocatalizzatori speciali. Per l'anodo, vengono comunemente utilizzati catalizzatori a base di iridio, in particolare per la reazione di evoluzione dell'ossigeno acido (OER).

L'OER è la fase di produzione di ossigeno del processo di scissione dell'acqua che genera energia pulita da idrogeno, ma rimane una reazione complessa e inefficiente. Questa reazione è più efficace quando si utilizzano catalizzatori a base di iridio.

Scoperto nel 1803, l'iridio non si trova in natura allo stato puro ma viene recuperato commercialmente come sottoprodotto della produzione di platino, palladio, nichel o rame. 

L'iridio è un metallo denso e duro che non viene attaccato dall'aria, dall'acqua e dagli acidi. A causa di queste proprietà, is utilizzato nelle candele, nelle apparecchiature scientifiche, nei catalizzatori, negli inchiostri conduttivi per l'elettronica e nella cura del cancro.

Il metallo è raramente utilizzato in forma pura a causa delle difficoltà di preparazione e fabbricazione; piuttosto, esso viene usato sotto forma di leghe di platino.

L'iridio (Ir), tuttavia, è un metallo di alto valore e uno degli elementi naturali più rari nella crosta terrestre. Minerali contenenti iridio si trovano in Sudafrica, Stati Uniti (Alaska), Brasile, Russia, Myanmar e Australia.

La sua scarsità, combinata con la sua elevata domanda da parte delle industrie come elettronica, lo rende molto costoso. L'iridio è in realtà più prezioso dell'oro: costa quasi 5,000 dollari l'oncia.

So, ha senso che gli scienziati sono costantemente cercando nuovi metalli per sostituire l'iridio al fine di aiutare con l'adozione su larga scala dei PEMWE. Tuttavia, la scoperta di alternative non-Ir non è semplice e rimane lenta a causa del vasto spazio di progettazione coinvolto.

Pochi mesi fa, uno studio² dell'Advanced Institute for Materials Research (AIMR) dell'Università di Tohoku ha descritto dettagliatamente un nuovo catalizzatore a cristalli porosi come soluzione efficiente e duratura per la produzione di idrogeno pulito tramite elettrolisi dell'acqua. 

Il materiale in questo studio è Co3O4 monocristallino mesoporoso drogato con iridio disperso atomicamente per l'OER acido.

La struttura mesoporosa dello spinello gioca un ruolo chiave, poiché consente un elevato carico di Ir (13.8% in peso) senza la formazione di grandi cluster di iridio. Oltre a fornire spazio per il carico di Ir, l'architettura contribuisce anche a creare un ambiente stabile.

Il catalizzatore ha mantenuto le sue prestazioni per oltre 100 ore con soli 248 mV di sovratensione (η₁₀).

In un altro studio recente, i ricercatori hanno creato una "megabiblioteca" per esplorare l'attività catalitica di milioni di nanostrutture distinte composte da pochi metalli chiave, contribuendo alla ricerca di alternative ai catalizzatori Ir per OER su larga scala e velocità.

Clicca qui per scoprire come i catalizzatori non nobili aprono la strada all'idrogeno a prezzi accessibili.

Scoperta rapida di catalizzatori con la nanotecnologia

Migliori ultimo studio³ ha effettivamente trovato un nuovo catalizzatore per la produzione di idrogeno combustibile che è efficiente sia in termini di costi che di energia.

Pubblicata questo mese sul Journal of the American Chemical Society (JACS), la scoperta del catalizzatore è stata fatta utilizzando una nuova megalibreria di nanoparticelle e corrisponde o supera le prestazioni dell'iridio in produzione di idrogeno combustibile, a una frazione del costo.

Per molto tempo ora, i ricercatori sono stati cercando alternative all'iridio. Ma che cosa ha preso decenni è stato scoperto in un solo pomeriggio grazie al nuovo e potente strumento sviluppato dagli scienziati della Northwestern University.

Questo strumento di nuova invenzione si chiama megabiblioteca ed è la prima "fabbrica di dati" al mondo sui nanomateriali. Ognuna di queste librerie contiene milioni di nanoparticelle distinte su un minuscolo chip.

La tecnologia è stata poi utilizzata, in collaborazione con i ricercatori del Toyota Research Institute (TRI), per trovare catalizzatori commercialmente validi per la produzione di idrogeno. Il materiale è stato successivamente ridimensionato up, e dimostrato che funziona all'interno di un dispositivo. Tutto questo è stato fatto a tempo di record.

Per scoprire nuovi catalizzatori, i ricercatori utilizzato quattro poco costosi, metalli abbondanti, che sono contro tutti i noti per le loro prestazioni catalitiche. Questi metalli sono:

1. Cobalto (CO)
2. Cromo (CR)
3. Manganese (MN)
4. Rutenio (Ru)

La megabiblioteca è stato poi utilizzato per analizzare rapidamente vaste combinazioni di questi metalli per trovare un nuovo materiale le cui prestazioni possano eguagliare quelle dell'iridio.

Il team ha trovato uno di questi nuovi materiali le cui prestazioni in laboratorio erano paragonabili a quelle dei materiali commerciali a base di iridio. In alcuni casi, le prestazioni li superavano addirittura a una frazione del costo.

Questa scoperta potrebbe potenzialmente rendere l'idrogeno verde accessibile.

Inoltre, il nuovo materiale dimostra l'efficacia dell'approccio megalibrary, che può alterare il modo in cui i ricercatori scoprono nuovi materiali per vari applicazioni.

Secondo l'autore principale dello studio Chad A. Mirkin, che è il principale inventore della piattaforma megalibrary e colui che ha effettivamente introdotto le megalibrary circa dieci anni fa, nel 2016:

"Abbiamo messo a punto quello che è probabilmente lo strumento di sintesi più potente al mondo, che consente di analizzare l'enorme numero di combinazioni a disposizione di chimici e scienziati dei materiali per trovare i materiali che contano."

Nel progetto della megabiblioteca, il team ha “incanalato tale capacità verso un problema importante che affligge il settore energetico”. Il problema, come ha osservato il pioniere della nanotecnologia Mirkin, era:

"Come possiamo trovare un materiale che sia valido quanto l'iridio ma che sia più abbondante, più disponibile e molto più economico? Questo nuovo strumento ci ha permesso di trovare un'alternativa promettente e di trovarla rapidamente."

Mirkin è professore di chimica presso il Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern University e professore di ingegneria chimica e biologica, ingegneria biomedica e scienza e ingegneria dei materiali presso la McCormick School of Engineering. 

L'idrogeno verde è un bisogno critico del mondo, ma è vincolato grazie alla sua dipendenza da uno dei materiali più rari per funzionare.

"Non c'è abbastanza iridio nel mondo per soddisfare tutte le nostre esigenze previste."

– Ted Sargent, professore di chimica a Weinberg e professore di ingegneria elettrica e informatica a McCormick

Sargent e Mirkin lavorarono insieme al progetto.

"Mentre pensiamo a come scindere l'acqua per generare forme alternative di energia, non c'è abbastanza iridio dal punto di vista puramente dell'approvvigionamento."

– Sergente

La scoperta di nuovi candidati per sostituire questo metallo ha rappresentato l'applicazione perfetta per il nuovo strumento, che può rivoluzionare il lento e scoraggiante processo tradizionale di scoperta dei materiali. A differenza del tradizionale metodo per tentativi ed errori, le nuove megalibrerie consentono la rapida identificazione delle composizioni ottimali.

Ogni megalibreria è stata creata con un gruppo di centinaia di migliaia di minuscole punte piramidali per stampare singoli "punti" su una superficie. Ogni punto è costituito da una miscela accuratamente progettata di sali metallici che, una volta riscaldati, vengono ridotti a formare singole nanoparticelle uniche, ciascuna con dimensioni e composizione precise.

Secondo Mirkin:

“Si può pensare a ogni punta come a una piccola persona in un piccolo laboratorio. Invece di averne uno piccolo persona Fai uno struttura alla volta, ci sono milioni di persone. Quindi, in pratica, hai un intero esercito di ricercatori schierati su un chip."

In totale, il chip conteneva 156 milioni di particelle, ciascuna formata da diverse combinazioni di Co, Cr, Mn e Ru. Uno scanner robotizzato ha poi analizzato ad appena quanto bene riescono a eseguire una reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER). 

Questa capacità di selezionare le particelle per ottenere le massime prestazioni rappresenta un'innovazione importante.

"Per la prima volta, non solo siamo stati in grado di selezionare rapidamente i catalizzatori, ma abbiamo anche visto che i migliori funzionavano bene in un contesto più ampio."

– Coautore dello studio Joseph Montoya, ricercatore senior presso il TRI

Sulla base della valutazione, i ricercatori hanno selezionato 40 i migliori risultati candidati, con attività da bassa ad alta, per ulteriori test in laboratorio. Gli ossidi RuCoMnCr sono stati ridimensionati a livelli di milligrammi prima di essere studiati per le loro prestazioni catalitiche.

Una composizione si è distinta infine. Questa combinazione precisa di tutti e quattro i metalli era: ossido Ru52Co33Mn9Cr6.

Così, la la squadra è stata in grado di ottenere un catalizzatore multimetallico, che è effettivamente noto per essere più attivo delle sue controparti monometalliche.

"Il nostro catalizzatore ha in realtà un'attività leggermente superiore a quella dell'iridio e un'eccellente stabilità", ha affermato Mirkin. "Questo è raro perché spesso il rutenio è meno stabile. Ma gli altri elementi nella composizione stabilizzano il rutenio".

Il catalizzatore ha generato una tensione di 1.58 V a 1 A/cm2 e 1.77 V a 3 A/cm2.

Per quanto riguarda le prestazioni a lungo termine, questo nuovo catalizzatore ha funzionato per oltre 1,000 ore con elevata efficienza e notevole stabilità in un ambiente acido e ostile, pur costando informazioni un sedicesimo di Iridio.

"C'è ancora molto lavoro da fare per rendere tutto questo commercialmente sostenibile, ma è entusiasmante che siamo riusciti a identificare catalizzatori promettenti così rapidamente, non solo su scala di laboratorio ma anche per i dispositivi".

– Montoya

Nel processo di ricerca di un nuovo catalizzatore, il team ha creato enormi set di dati sui materiali di alta qualità, che possono aprire la strada all'apprendimento automatico e all'intelligenza artificiale per progettare la prossima generazione di nuovi materiali.

TRI, Northwestern e la sua spin-off Mattiq hanno già sviluppato un algoritmo per effettuare ricerche nelle megabiblioteche a velocità vertiginosa. 

Ma è solo l'inizio. Come per l'intelligenza artificiale, l'approccio delle megabiblioteche può andare oltre la semplice scoperta accelerata di catalizzatori per la conversione energetica, trasformando la scoperta di materiali per quasi tutte le tecnologie, come componenti ottici avanzati, dispositivi biomedici, batterie e altro ancora.

"Cercheremo tutti i tipi di materiali per batterie, fusione e altro ancora", ha detto Mirkin. "Il mondo non utilizza i materiali migliori per le proprie esigenze. Le persone hanno trovato i materiali migliori a un certo punto, grazie agli strumenti a loro disposizione. Il problema è che ora abbiamo un'enorme infrastruttura costruita attorno a quei materiali, e siamo bloccati con loro. Vogliamo capovolgere la situazione. È ora di trovare davvero i materiali migliori per ogni esigenza, senza compromessi".

Investire nel potere dell'idrogeno

Bloom Energy Corporation (BE ) è impegnata nella produzione di energia tramite celle a combustibile stazionarie. It fornisce due prodotti commercialmente: il Bloom Electrolyzer per la produzione di idrogeno e il Bloom Energy Server per la generazione di elettricità.

L'azienda produce idrogeno dal più grande elettrolizzatore nel mondo, che è installato presso l'Ames Research Center della NASA, generando circa Il 25% di idrogeno in più per megawatt rispetto agli elettrolizzatori commerciali come PEM o alcalina.

Finora, Bloom Energy ha distribuito 1.5 GW di energia a basse emissioni di carbonio in oltre 1,200 installazioni in tutto il mondo.

Con una capitalizzazione di mercato di 12.38 miliardi di dollari, le azioni BE vengono scambiate a 53.15 dollari, in rialzo del 138.36% da inizio anno. Di recente, le azioni della società hanno superato i 55 dollari, raggiungendo nuovi massimi grazie al crescente interesse da parte degli hyperscaler e dei data centri. Leggi anche, precedente a luglio, la società ha concluso un accordo fondamentale con Oracle e ha accennato a Scopri di più simili accordi in futuro.

Ha un EPS (TTM) di 0.11 e un P/E (TTM) di 495.23.