Un nuovo dispositivo può produrre idrogeno se immerso in acqua salata

John Timmer - 30 novembre 2022 21:55 UTC

Con l’energia rinnovabile che diventa sempre più economica, c’è un crescente impulso a trovare modi per immagazzinarla in modo economico. Le batterie possono gestire flussi di produzione a breve termine, ma potrebbero non essere in grado di gestire carenze a lungo termine o cambiamenti stagionali nella produzione di energia. L’idrogeno è una delle numerose opzioni prese in considerazione che ha il potenziale per fungere da ponte a lungo termine tra periodi di elevata produttività rinnovabile.

Ma l’idrogeno presenta i suoi problemi. Ottenerlo dividendo l’acqua è piuttosto inefficiente dal punto di vista energetico e conservarlo per lunghi periodi può essere difficile. La maggior parte dei catalizzatori per la produzione di idrogeno funzionano meglio anche con l’acqua pura, non necessariamente un elemento facile da ottenere poiché il cambiamento climatico sta aumentando l’intensità della siccità.

Un gruppo di ricercatori con sede in Cina ha ora sviluppato un dispositivo in grado di produrre idrogeno partendo dall’acqua di mare: infatti, il dispositivo deve trovarsi nell’acqua di mare per funzionare. Il concetto chiave per farlo funzionare sarà familiare a chiunque capisca come funziona la maggior parte degli indumenti impermeabili.

L'abbigliamento impermeabile e traspirante si basa su una membrana con pori accuratamente strutturati. La membrana è costituita da un materiale che respinge l'acqua. Ha pori, ma sono troppo piccoli per consentire il passaggio dell'acqua liquida. Ma sono abbastanza grandi da consentire il passaggio delle singole molecole d'acqua. Di conseguenza, l'acqua all'esterno degli indumenti rimane lì, ma il sudore all'interno che evapora continuerà a fluire attraverso il tessuto e si farà strada verso l'esterno. Di conseguenza, il tessuto respira.

Una membrana simile è fondamentale per la funzione del nuovo dispositivo. Impedisce all'acqua liquida di transitare attraverso la membrana ma consente il passaggio del vapore acqueo. La grande differenza è che c'è acqua liquida su entrambi i lati della membrana.

All'esterno c'è l'acqua di mare, con la sua normale raccolta di sali. All'interno c'è una soluzione concentrata di un singolo sale, in questo caso idrossido di potassio (KOH), compatibile con il processo di elettrolisi che produce idrogeno. Nella soluzione KOH è sommerso un set di elettrodi che producono idrogeno e ossigeno su entrambi i lati di un separatore, mantenendo puri i flussi di gas.

Quindi cosa succede una volta che l'hardware inizia a funzionare? Poiché l’acqua all’interno del dispositivo viene divisa, producendo idrogeno e ossigeno, i livelli ridotti di acqua aumentano la concentrazione della soluzione KOH (che all’inizio era molto più concentrata dell’acqua di mare). Ciò rende energeticamente favorevole per l'acqua spostarsi attraverso la membrana dall'acqua di mare per diluire il KOH. E grazie ai pori ciò è possibile, ma solo se l'acqua si muove sotto forma di vapore.

Di conseguenza, l'acqua esiste brevemente allo stadio di vapore mentre è all'interno della membrana e poi ritorna rapidamente allo stato liquido una volta all'interno del dispositivo. Tutta la complessa miscela di sali presente nell'acqua di mare viene lasciata all'esterno della membrana e agli elettrodi che la dividono viene fornita una fornitura costante di acqua dolce. Fondamentalmente, tutto ciò avviene senza il consumo di energia normalmente coinvolto nella desalinizzazione, rendendo il processo complessivo più efficiente dal punto di vista energetico rispetto alla depurazione dell’acqua per l’uso in un elettrolizzatore standard.

Tutto questo sembra fantastico in linea di principio, ma funziona davvero? Per scoprirlo, il team ha assemblato un dispositivo e lo ha utilizzato nell’acqua di mare della baia di Shenzhen (un’insenatura a nord di Hong Kong e Macao). E, secondo quasi ogni ragionevole indicatore di prestazione, ha funzionato bene.

Ha mantenuto le prestazioni anche dopo 3.200 ore di utilizzo e la microscopia elettronica della membrana dopo l'uso ha indicato che a questo punto i pori erano rimasti sbloccati. Il KOH utilizzato per il sistema non era completamente puro, quindi conteneva bassi livelli di ioni presenti nell'acqua di mare. Ma quei livelli non sono aumentati nel tempo, confermando che il sistema teneva l’acqua di mare fuori dalla camera di elettrolisi. Dal punto di vista energetico, il sistema utilizzava la stessa quantità di energia di un elettrolizzatore standard, confermando che la purificazione dell'acqua non richiedeva alcun costo energetico.