Ilmuwan Italia Mengembangkan Sistem Baru untuk Menghasilkan Hidrogen Ramah Lingkungan dengan Murah dan Efisien

Upaya penelitian kolaboratif antara IIT dan spin-off BeDimensional telah menemukan metode yang memanfaatkan partikel rutenium bersama dengan sistem elektrolisis bertenaga surya.

Apa yang diperlukan untuk memproduksi hidrogen ramah lingkungan dengan lebih efisien dan murah? Rupanya, partikel rutenium kecil dan sistem bertenaga surya untuk elektrolisis air. Solusi inilah yang diidentifikasi oleh tim gabungan yang melibatkan Istituto Italiano di Tecnologia (Institut Teknologi Italia, IIT) Genoa, dan BeDimensional SpA (spin-off IIT).

Teknologi ini, dikembangkan dalam rangka kegiatan Laboratorium Bersama dan baru-baru ini diterbitkan di dua jurnal high impact factor (Komunikasi Alam dan itu Jurnal Persatuan Kimia Amerika) didasarkan pada keluarga elektrokatalis baru yang dapat mengurangi biaya produksi hidrogen hijau pada skala industri.

Hidrogen dianggap sebagai vektor energi berkelanjutan, alternatif bahan bakar fosil. Namun tidak semua hidrogen memiliki dampak yang sama terhadap lingkungan. Memang benar, cara utama memproduksi hidrogen saat ini adalah melalui reformasi uap metana, sebuah proses berbasis bahan bakar fosil yang melepaskan karbon dioksida (CO).₂) sebagai produk sampingan.

Hidrogen yang dihasilkan oleh proses ini diklasifikasikan sebagai “abu-abu” (bila CO₂ dilepaskan ke atmosfer) atau “biru” (ketika CO₂ mengalami penangkapan dan penyimpanan geologis). Untuk mengurangi emisi secara signifikan hingga mencapai nol pada tahun 2050, proses-proses ini harus diganti dengan proses yang lebih ramah lingkungan yang menghasilkan hidrogen “hijau” (yaitu emisi nol bersih). Harga hidrogen “hijau” sangat bergantung pada efisiensi energi perangkat (elektroliser) yang memecah molekul air menjadi hidrogen dan oksigen.

Inovasi Teknologi dalam Produksi Hidrogen

Para peneliti dari tim penemuan gabungan ini telah mengembangkan metode baru yang menjamin efisiensi lebih besar daripada metode yang dikenal saat ini dalam mengubah energi listrik (bias energi yang digunakan untuk memecah molekul air) menjadi energi kimia yang tersimpan dalam molekul hidrogen yang dihasilkan. . Tim telah mengembangkan konsep katalis dan menggunakan sumber energi terbarukan, seperti energi listrik yang dihasilkan panel surya.

“Dalam penelitian kami, kami telah menunjukkan bagaimana memaksimalkan efisiensi teknologi yang kuat dan berkembang dengan baik, meskipun investasi awal sedikit lebih besar daripada yang dibutuhkan untuk elektroliser standar. Ini karena kami menggunakan logam mulia seperti rutenium”, komentar Yong Zuo dan Michele Ferri dari Nanochemistry Group di IIT di Genoa.

Para peneliti menggunakan nanopartikel rutenium, logam mulia yang perilaku kimianya mirip dengan platinum tetapi jauh lebih murah. Nanopartikel rutenium berfungsi sebagai fase aktif katoda elektroliser, yang menyebabkan peningkatan efisiensi elektroliser secara keseluruhan.

“Kami telah melakukan analisis dan pengujian elektrokimia dalam kondisi industri signifikan yang memungkinkan kami menilai aktivitas katalitik material kami. Selain itu, simulasi teoritis memungkinkan kita untuk memahami perilaku katalitik nanopartikel rutenium pada tingkat molekuler; dengan kata lain, mekanisme pemisahan air di permukaan,” jelas Sebastiano Bellani dan Marilena Zappia dari BeDimensional yang terlibat dalam penemuan tersebut. “Dengan menggabungkan data dari eksperimen kami dengan parameter proses tambahan, kami telah melakukan analisis tekno-ekonomi yang menunjukkan daya saing teknologi ini, jika dibandingkan dengan elektroliser yang canggih.”

Efektivitas Biaya Teknologi Baru

Rutenium adalah logam mulia yang diperoleh dalam jumlah kecil sebagai produk sampingan dari ekstraksi platina (30 ton per tahun, dibandingkan dengan produksi tahunan sebesar 200 ton platina) namun dengan biaya yang lebih rendah (18,5 dolar per gram dibandingkan dengan produksi tahunan sebesar 200 ton). platinum) tetapi dengan biaya lebih rendah (18,5 dolar per gram dibandingkan dengan 30 dolar untuk platinum). Teknologi baru ini hanya menggunakan 40 mg rutenium per kilowatt, sangat berbeda dengan penggunaan platinum secara ekstensif (hingga 1 gram per kilowatt) dan iridium (antara 1 dan 2,5 gram per kilowatt, dengan harga iridium sekitar 150 dolar per kilowatt). gram) yang merupakan karakteristik elektroliser membran penukar proton.

Dengan menggunakan rutenium, para peneliti di IIT dan BeDimensional telah meningkatkan efisiensi elektroliser alkali, sebuah teknologi yang telah digunakan selama beberapa dekade karena kekuatan dan daya tahannya. Misalnya, teknologi ini ditemukan pada kapsul Apollo 11 yang membawa manusia ke bulan pada tahun 1969. Keluarga baru katoda berbasis rutenium untuk elektroliser alkali yang telah dikembangkan sangat efisien dan memiliki masa pengoperasian yang lama, sehingga mengurangi biaya. produksi hidrogen hijau.

“Di masa depan, kami berencana untuk menerapkan teknologi ini dan teknologi lainnya, seperti katalis berstruktur nano berdasarkan bahan dua dimensi yang berkelanjutan, dalam elektroliser skala besar yang ditenagai oleh energi listrik dari sumber terbarukan, termasuk listrik yang dihasilkan oleh panel fotovoltaik,” para peneliti menyimpulkan. . .

Referensi: “Struktur Nanohetero Ru–Cu untuk Reaksi Evolusi Hidrogen yang Efisien dalam Elektroliser Air Alkali” oleh Yong Zuo, Sebastiano Bellani, Gabriele Saleh, Michele Ferri, Dipak V. Shinde, Marilena Isabella Zappia, Joka Buha, Rosaria Brescia, Mirko Prato, Roberta Pascazio, Abinaya Annamalai, Danilo Oliveira de Souza, Luca De Trizio, Ivan Infante, Francesco Bonaccorso dan Liberato Manna, 25 September 2023, Jurnal Persatuan Kimia Amerika.
DOI: 10.1021/jacs.3c06726

“Elektroliser air alkali berkinerja tinggi berdasarkan katoda nanoplatelet Ru terganggu” oleh Yong Zuo, Sebastiano Bellani, Michele Ferri, Gabriele Saleh, Dipak V. Shinde, Marilena Isabella Zappia, Rosaria Brescia, Mirko Prato, Luca De Trizio, Ivan Infante, Francesco Bonaccorso dan Liberato Manna, 4 Agustus 2023, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-023-40319-5