Il siliciuro di nichel nanostrutturato è promettente per l'idrogeno verde

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L’energia elettrica proveniente dal vento o dal sole può essere immagazzinata come energia chimica nell’idrogeno, un eccellente combustibile e vettore energetico. Il presupposto è però un’efficiente elettrolisi dell’acqua con catalizzatori economici. Per la reazione di sviluppo dell'ossigeno all'anodo, il siliciuro di nichel nanostrutturato promette ora un aumento significativo dell'efficienza. Ciò è stato dimostrato da un gruppo dell'HZB, dell'Università Tecnica di Berlino e della Freie Universität Berlin nell'ambito della piattaforma di ricerca CatLab con misurazioni, tra l'altro, presso BESSY II.

L'elettrolisi potrebbe essere un concetto familiare dalle lezioni di chimica a scuola: due elettrodi vengono immersi nell'acqua e messi sotto tensione. Questa tensione provoca la scomposizione delle molecole d'acqua nei loro componenti e la formazione di bolle di gas sugli elettrodi: all'anodo si forma gas di ossigeno, al catodo si formano bolle di idrogeno. L’elettrolisi potrebbe produrre idrogeno senza emissioni di CO2, a condizione che l’elettricità necessaria venga generata da forme di energia non fossili come il sole o il vento.

L'unico problema è che queste reazioni non sono molto efficienti ed estremamente lente. Per accelerare le reazioni vengono utilizzati catalizzatori, a base di metalli preziosi e rari come platino, rutenio o iridio. Per un utilizzo su larga scala, tuttavia, tali catalizzatori devono essere costituiti da elementi ampiamente disponibili e molto economici.

Per accelerare la reazione di sviluppo dell'ossigeno all'anodo, i materiali a base di nichel sono considerati buoni candidati. Il nichel è resistente alla corrosione, difficilmente tossico e anche economico. Fino ad ora, tuttavia, i processi ad alta temperatura ad alta intensità energetica sono stati utilizzati principalmente per produrre materiali catalitici a base di nichel.

Un team guidato dal Dr. Prashanth Menezes (HZB/TU di Berlino) ha ora trovato un metodo "chimico morbido" per produrre un catalizzatore efficiente basato su nanocristalli intermetallici di nichel-silicio.

"Abbiamo combinato l'elemento nichel con il silicio, il secondo elemento più abbondante nella crosta terrestre, e abbiamo ottenuto la nanostrutturazione tramite una reazione chimica. Il materiale risultante ha eccellenti proprietà catalitiche", afferma Menezes. Il Ni2Si cristallino funge da precatalizzatore per la reazione alcalina di evoluzione dell'ossigeno all'anodo e subisce una trasformazione superficiale per formare nichel (ossi) idrossido come catalizzatore attivo in condizioni operative. Sorprendentemente, l'elettrolisi dell'acqua è stata ulteriormente abbinata a una reazione di ossidazione organica a valore aggiunto in cui l'elettrosintesi di composti nitrilici di valore industriale è stata prodotta da ammine primarie con conversione selettiva e completa in condizioni blande. Tali metodi elettrosintetici possono potenziare la generazione di idrogeno al catodo e possono contemporaneamente fornire accesso a preziosi prodotti industriali all’anodo.

Rispetto ai moderni catalizzatori a base di nichel, cobalto, ferro, rutenio e iridio, il Ni2Si nanoporoso è significativamente più attivo e rimane stabile per tempi di reazione più lunghi in condizioni di livello industriale. Per comprendere il comportamento di Ni2Si in modo più dettagliato, il team ha combinato diversi metodi di misurazione, tra cui analisi elementari, microscopia elettronica e moderne misurazioni spettroscopiche presso BESSY II. "In futuro, anche gli elettrolizzatori industriali di acqua alcalina potrebbero essere dotati di un rivestimento di questo siliciuro di nichel nanoporoso", afferma Menezes.

Riferimento: Mondal I, Hausmann JN, Vijaykumar G, et al. (Pre)catalizzatore di siliciuro di nichel intermetallico nanostrutturato per la reazione di evoluzione dell'ossigeno anodico e la deidrogenazione selettiva delle ammine primarie. Adv Energia Mat. 2022;12(25):2200269. doi:10.1002/aenm.202200269

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