LA1.1.22 – Produzione di idrogeno mediante processi termochimici ad alta temperatura basati su reattori con membrane iono-conduttrici ad ossidi solidi

Attività

L’attività si pone l’obiettivo di sviluppare la tecnologia dei reattori catalitici a membrana per produrre idrogeno puro da scissione termica dell’acqua in idrogeno e ossigeno.

L’acqua è una risorsa rinnovabile, abbondante e carbon-free e pertanto costituisce una fonte ideale per la produzione di idrogeno. Tuttavia, la termoscissione delle molecole di acqua è una reazione fortemente energivora. Il processo può essere reso più favorevole rimuovendo continuamente dalla zona di reazione l’ossigeno prodotto, in un reattore che impiega particolari membrane chiamate Oxygen Transport Membranes (OTM).

Le condizioni operative del reattore espongono la membrana a condizioni ambientali severe, come elevata temperatura e presenza di atmosfere aggressive. Pertanto, per permettere la diffusione di questa tecnologia è necessario sviluppare OTM in grado di abbinare elevate prestazioni di permeazione e sufficiente stabilità chimico-fisica a lungo termine.

Gli studi della LA si propongono pertanto di:

•Realizzare membrane innovative con nuovi materiali più performanti rispetto allo stato dell’arte.

•Sviluppare i catalizzatori necessari per impiegare le membrane nei reattori per la termoscissione.

•Investigare le performance dei reattori in termini di idrogeno prodotto e stabilità nel tempo.

Risultati

•Tramite sintesi a stato solido sono state prodotte polveri di Ca_xSr_1-xTi_0.8Fe_0.2O_3-δ (x = 0, 0.1, 0.4). Misure TGA e XRD hanno mostrato confermato la maggiore stabilità in CO₂ dei materiali dove Sr è parzialmente sostituito con Ca.

•Prove di permeazione hanno evidenziato che la parziale sostituzione di Sr con Ca non peggiora significativamente le prestazioni di separazione di ossigeno.

• Membrane di Ca_0.1Sr_0.9Ti_0.8Fe_0.2O_3-δ hanno mostrato un’eccellente stabilità di permeazione per 170 ore in presenza di CO₂. La caratterizzazione post-test non ha mostrato fenomeni di decomposizione del materiale.

• Al fine di aumentare le prestazioni di permeazione, sono state sviluppate membrane di spessore ridotto (20 µm) supportate, ottenute grazie a un processo di tape casting.

• Il comportamento termomeccanico dei materiali è compatibile con i principali materiali metallici adatti alla realizzazione di dispositivi a membrana operanti ad alta temperatura.

• È stato realizzato un impianto di laboratorio per testare le membrane in condizioni di reazione, verificare i flussi di produzione di idrogeno e investigare la stabilità chimico-fisica delle membrane a lungo termine.

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