Obiettivo 2: Stoccaggio,
trasporto e trasformazione in derivati ed e-fuels
REFERENTE/I
Sabrina Campagna Zignani – CNR
sabrina.campagnazignani@cnr.it
Attività
Nell’ambito di questa attività sono stati sviluppati catalizzatori non nobili, membrane a scambio anionico ed elettrodi innovativi da impiegare in celle elettrochimiche a elettrolita polimerico per l’elettroriduzione della CO₂ in fase gassosa finalizzata alla produzione di e-fuels. Sono stati sintetizzati e caratterizzati elettrocatalizzatori a base di ossidi di rame e altri metalli non nobili, nonché membrane polimeriche a scambio anionico da utilizzare come elettrolita solido. Lo studio è stato orientato alla comprensione dei meccanismi di reazione, dell’evoluzione dei catalizzatori in condizioni operative e dell’influenza della composizione elettrolitica sulle prestazioni del processo, mediante l’impiego di tecniche avanzate di caratterizzazione in operando. Sono stati inoltre realizzati elettrodi a diffusione gassosa utilizzando i materiali sviluppati e sono stati eseguiti test preliminari in una cella singola da 5 cm², adottando una membrana commerciale come benchmark. Gli inchiostri catalitici sono stati depositati mediante spray coating con differenti carichi di ossidi su supporti commerciali in carbon paper. Le prove sono state condotte alimentando CO₂ umidificata al catodo e ricircolando una soluzione di KOH 1 M all’anodo a 50 °C. Le attività hanno consentito di ottimizzare il sistema sperimentale e definire un riferimento per la successiva valutazione dei nuovi materiali sviluppati.
Figura 1
Panoramica dei processi di riduzione elettrochimica della CO₂ verso e-fuels su catalizzatori selettivi.
Risultati
Nel nostro lavoro si illustra lo sviluppo e la valutazione sistematica di configurazioni di assemblaggi membrana-elettrodo (MEA) per l’elettrolisi alcalina della CO₂. I risultati evidenziano la forte influenza della composizione del catalizzatore, delle proprietà della membrana e dell’architettura degli elettrodi sulle prestazioni, la selettività e la stabilità del sistema. Tra i sistemi testati, i catodi a base di Cu accoppiati con anodi NiFe hanno mostrato un’attività promettente, raggiungendo efficienze faradiche per i prodotti carboniosi fino a circa il 70%. La configurazione MEA D ha offerto il miglior compromesso tra prestazioni e durabilità ad alta densità di corrente (0,3 A cm⁻²), mantenendo una tensione di cella relativamente stabile durante il funzionamento. L’incorporazione di Zn ha favorito un’attivazione in situ e ha migliorato il trasferimento di carica, sebbene senza incrementare in modo costante la selettività. Nonostante questi risultati, la formazione di prodotti liquidi è rimasta limitata e l’evoluzione dell’idrogeno ha continuato a rappresentare la principale reazione competitiva, impedendo al sistema di raggiungere l’efficienza capacitiva (circa l’85%). La spettroscopia di impedenza elettrochimica ha indicato che le differenze di prestazione sono principalmente determinate dalla resistenza al trasferimento di carica, mentre le perdite ohmiche rimangono stabili. Nel complesso, questo studio chiarisce le relazioni struttura-prestazione nei sistemi MEA a gap zero, evidenziando la necessità di migliorare la selettività del catalizzatore, sopprimere l’evoluzione dell’idrogeno e aumentare la stabilità a lungo termine per raggiungere gli obiettivi industriali.
Figura 2
Caratterizzazione del catalizzatore e prestazioni elettrochimiche nella riduzione della CO₂
Team di ricerca
Il nostro team di ricerca riunisce competenze in elettrochimica, scienza dei materiali e ingegneria dei processi per sviluppare soluzioni innovative per la conversione della CO₂. L’obiettivo è trasformare una sfida ambientale in una risorsa, progettando catalizzatori avanzati e sistemi elettrochimici efficienti, come le membrane electrode assembly (MEA). Operiamo in un contesto fortemente interdisciplinare e collaborativo, con partnership consolidate con università, centri di ricerca e industria, che permettono uno scambio continuo di conoscenze e accelerano il trasferimento tecnologico verso applicazioni reali. Il nostro approccio integra tutte le fasi dello sviluppo: dalla sintesi e caratterizzazione dei materiali, ai test elettrochimici avanzati fino alla validazione su impianti. Questo ci consente di comprendere in modo sistematico le relazioni struttura–prestazione e di ottimizzare selettività, efficienza e stabilità dei sistemi. L’obiettivo finale è contribuire allo sviluppo di tecnologie scalabili e sostenibili, in grado di supportare la transizione energetica e la produzione di combustibili e prodotti chimici a partire dalla CO₂.
Documenti
