L’elettrolisi alcalina è un metodo per produrre idrogeno separando l’ossigeno e l’idrogeno dall’acqua mediante una corrente elettrica in una soluzione alcalina. La elettrolisi alcalina risale al 1800 poco dopo l’invenzione della pila dovuta al chimico e fisico italiano Alessandro Volta quando due scienziati inglesi, William Nicholson e Anthony Carlisle, realizzarono per primi questo processo.
Collegarono ciascuna estremità della pila a fili di rame e misero le estremità opposte dei fili in acqua salata. Il sale rese l’acqua un conduttore e l’idrogeno gassoso si accumulò all’estremità di un filo mentre l’estremità dell’altro filo si ossidava.
Pertanto l’elettrolisi alcalina si distingue tra le altre tecnologie poiché è la tecnologia più antica e quella con la maggiore diffusione commerciale. A livello industriale è stata usata all’inizio del XX secolo tra gli anni ’20 e ’80 in risposta alla domanda di idrogeno per la sintesi dell’ammoniaca. Attualmente l’elettrolisi alcalina viene utilizzata per il suo basso costo in quanto il funzionamento in un ambiente alcalino consente l’uso di catalizzatori, separatori e strati di trasporto porosi che hanno prezzi relativamente bassi
L’elettrolisi alcalina viene fatta con elettrolizzatori, dispositivi elettrochimici che utilizzano principalmente l’elettricità per produrre idrogeno come principale prodotto e ossigeno come sottoprodotto dell’acqua. Contrariamente a tutti gli altri metodi di produzione di idrogeno, l’elettrolizzatore è l’unica tecnologia disponibile in commercio in grado di produrre idrogeno ad alta purezza senza il coinvolgimento di alimentazione di idrocarburi o emissioni di carbonio.
A causa delle crescenti preoccupazioni ambientali, in particolare per quanto riguarda i problemi di cambiamento climatico globale, l’attenzione è ora rivolta a soluzioni a zero o quasi zero emissioni di carbonio. L’unica soluzione con zero emissioni di carbonio sembra essere l’idrogeno che può essere ottenuto tramite l’elettrolisi dell’acqua
Reazioni nell’elettrolisi alcalina
Nell’elettrolizzatore l’anodo e il catodo sono separati da un diaframma è ciò distingue l’elettrolisi alcalina tradizionale da quelle basate sulla tecnologia che utilizza membrane a scambio anodico. I due elettroliti più comuni utilizzati sono l’idrossido di potassio (KOH) e l’idrossido di sodio (NaOH) al 25-30%.
L’elettrolizzatore funziona a una densità di corrente relativamente bassa. La scissione elettrochimica dell’acqua consiste in due reazioni ovvero la reazione di evoluzione dell’idrogeno (HER) al catodo e la reazione di evoluzione dell’ossigeno (OER) all’anodo. Durante il processo di elettrolisi alcalina, inizialmente al catodo due moli di soluzione alcalina vengono ridotte per produrre una mole di idrogeno (H2) e due moli di ioni idrossile (OH–).
L’idrogeno prodotto può essere eliminato dalla superficie catodica e gli ioni idrossilici rimanenti vengono trasferiti sotto l’influenza del circuito elettrico tra anodo e catodo attraverso il separatore poroso all’ anodo dove vengono scaricati per produrre ½ di O2 e una molecola di acqua.
Nell’idrolisi alcalina la reazione complessiva è pertanto:
H2O → H2 + ½ O2
in cui avvengono agli elettrodi le seguenti semireazioni:
anodo: 2 OH– → H2O + ½ O2 + 2e–
catodo: 2 H2O + 2e– → H2 + 2 OH–
Sistemi industriali di elettrolisi alcalina
Gli elettrolizzatori alcalini sono in genere composti da elettrodi, un separatore microporoso e un elettrolita alcalino acquoso. Negli elettrolizzatori alcalini, il materiale catodico più comune è il nichel, con un rivestimento catalitico come il platino. Per l’anodo, vengono utilizzati nichel o rame, rivestiti con ossidi metallici come quelli di manganese, tungsteno o rutenio.
La temperatura di esercizio è in genere compresa tra 60 e 80 °C e avviene sia a pressione atmosferica che ad alta pressione (fino a 30 bar). I recenti elettrolizzatori hanno una risposta dinamica molto rapida che offre la flessibilità richiesta per il funzionamento guidato dal mercato dell’energia, ottimizzando completamente il loro investimento.
L’elettrolisi dell’acqua alcalina produce idrogeno gassoso ad elevata purezza, essenziale per varie applicazioni, tra cui le celle a combustibile, grazie all’efficace separazione dei gas idrogeno e ossigeno. Inoltre può essere alimentata da fonti di energia rinnovabili come l’energia eolica o solare, consentendo la produzione di idrogeno verde e ciò si traduce in un processo pulito e rispettoso dell’ambiente che contribuisce minimamente alle emissioni di gas serra.
Elettrocatalizzatori
La diminuzione delle risorse energetiche convenzionali basate sui combustibili fossili e le relative conseguenze ambientali hanno attirato l’attenzione di tutto il mondo sullo sviluppo di risorse energetiche rinnovabili e, tra le risorse alternative, l’idrogeno è considerato il vettore energetico più pulito.
L’idrogeno è utilizzato come materia prima in vari settori e industrie e funge da componente chiave nella produzione di prodotti chimici, nelle raffinerie, nella produzione di acciaio e nella generazione di energia tramite l’impiego di tecnologie a celle a combustibile, che convertono l’idrogeno in elettricità, utilizzabile come fonte di energia pulita.
Nell’elettrolisi alcalina dell’acqua la stabilità del catalizzatore è un problema cruciale in quanto essi perdono la loro attività a causa della degradazione superficiale. La ricerca si è pertanto concentrata sullo sviluppo di elettrocatalizzatori con buone prestazioni, eccellente attività catalitica e stabilità a lungo termine nell’elettrolisi alcalina dell’acqua.
Sono stati ottenuti elettrocatalizzatori tramite sintesi idrotermale o sintesi solvotermica per l’ottenimento di ossidi metallici a temperature appropriate all’interno di reattori pressurizzati. Questi metodi, in cui i difetti superficiali sul substrato agiscono come centri di nucleazione per la crescita del materiale attivo, portando alla deposizione uniforme di nanostrutture sul substrato, sono caratterizzati dalla facilità di gestione, elevata ripetibilità e affidabilità.
Ad esempio la deposizione di fosfito di nichel-cobalto (NCP) su schiuma di nichel (NF) ha prodotto un catalizzatore ben distribuito con prestazioni favorevoli per la reazione di evoluzione dell’idrogeno. Gli ossidi metallici sintetizzati possono essere utilizzati direttamente come elettrocatalizzatori o ulteriormente elaborati per sintetizzare altri composti come fosfuri metallici, seleniuri e solfuri.
Un altro metodo per ottenere efficienti elettrocatalizzatori per l’elettrolisi alcalina dell’acqua prevede l’elettrodeposizione che viene in genere eseguita in un sistema a tre elettrodi in cui un substrato conduttivo selezionato funge da elettrodo di lavoro, la sostanza target è in un elettrolita in cui viene applicato un campo elettrico e la sostanza target viene depositata uniformemente su questo elettrodo di lavoro.
Questo metodo è semplice e facile da usare e può essere condotto a pressione atmosferica e temperatura ambiente. La porosità, la struttura e la composizione del catalizzatore possono essere facilmente controllate regolando i parametri di deposizione. Inoltre, può migliorare la conduttività dell’elettrodo, ridurre la resistenza di contatto tra il substrato e il materiale cataliticamente attivo e aumentare la sua stabilità a lungo termine.