L'imaging neutronico rivela il potenziale di ottimizzazione per la conversione di CO₂
Test di alta precisione in condizioni operative realistiche
Il gas serra dannoso per il clima, l'anidride carbonica, o CO₂ in breve, può essere convertito mediante riduzione elettrochimica - elettrolisi - in prodotti chimicamente preziosi come il monossido di carbonio (CO) o l'etanolo, che possono essere utilizzati come materie prime per l'industria o per l'approvvigionamento energetico sostenibile. Tuttavia, un ostacolo fondamentale alla stabilità a lungo termine di questa tecnologia è la gestione dell'acqua e dei sali all'interno della cella di elettrolisi in cui avviene la reazione chimica.
Il team di ricerca guidato dal Dr. Joey Disch e dal PD. Severin Vierrath di Hahn-Schickard e dell'Università di Friburgo, in collaborazione con l'Istituto francese Laue-Langevin di Grenoble, ha compiuto progressi significativi nella comprensione della distribuzione dell'acqua durante l'elettrolisi della CO₂. Il loro studio è stato pubblicato per la prima volta su ACS Energy Letters e ora è stato evidenziato nel numero di febbraio di Nature Catalysis. Lo studio utilizza l'imaging neutronico ad alta risoluzione - uno dei metodi più potenti per studiare direttamente il trasporto dell'acqua negli elettrolizzatori - per visualizzare i meccanismi di trasporto durante il funzionamento a impulsi di un elettrolizzatore di CO₂. Con una risoluzione di 6 µm, questo metodo consente di studiare con alta precisione la distribuzione dell'acqua e la formazione di sali in condizioni operative realistiche (400 mA cm-² a una tensione di cella di 3,1 V e un'efficienza di Faraday per il CO del 95%). A differenza dei raggi X, i neutroni penetrano facilmente anche nei componenti metallici, mentre visualizzano molto bene l'idrogeno e quindi le strutture contenenti acqua.
I risultati mostrano una chiara stabilizzazione dell'elettrolizzatore durante il funzionamento a impulsi, in cui il potenziale della cella viene periodicamente impostato a un potenziale inferiore all'inizio della riduzione per un breve periodo. L'imaging neutronico fornisce una spiegazione per la stabilizzazione e mostra che il contenuto di acqua nello strato di diffusione del gas aumenta durante le brevi interruzioni del funzionamento, favorendo la disgregazione dei depositi salini ostruttivi.
La riduzione elettrochimica della CO₂ apre prospettive promettenti per una riorganizzazione sostenibile dell'industria dei materiali chimici di base. In particolare, l'elettrolisi della CO₂ per la produzione di monossido di carbonio, come materiale di partenza versatile per l'industria chimica, è alle soglie dell'applicazione industriale: le celle elettrolitiche con membrane a scambio anionico stanno già impressionando per la loro notevole efficienza grazie alla gestione ottimizzata del reagente e alla riduzione al minimo delle perdite di resistenza.
Questi risultati forniscono quindi informazioni preziose per ottimizzare la progettazione e il funzionamento degli elettrolizzatori di CO₂, al fine di migliorare l'efficienza e la stabilità a lungo termine di questi sistemi e rimuovere dall'ambiente il dannoso gas serra CO2.
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Pubblicazione originale
Marçal Capdevila-Cortada; "Pulsed electrolysis through neutron lenses"; Nature Catalysis, Volume 8, 2025-2-26
Luca Bohn, Josephine Häberlein, Frederik Brendel, Lukas Metzler, Lukas Helfen, Alessandro Tengattini, Carolin Klose, Severin Vierrath, Joey Disch; "High-Resolution Neutron Imaging of Water Transport in CO2 Electrolysis during Pulsed Operation"; ACS Energy Letters, Volume 10, 2025-1-26
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