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In a Korean laboratory, a sheet of nickel and cobalt is doing a job that platinum has done for decades. The electrode splits water into hydrogen and oxygen, and the team at the Korea Institute of Energy Research (KIER) says it does so for 99% less material cost than noble-metal electrodes. Dr. Kyung-Soo Kang and Dr. Hyun-Jun Lee lead the work, published in Advanced Science. By the researchers' own price figures, nickel costs about $0.02 per gram and cobalt about $0.05, against roughly $58 for platinum and $54 for ruthenium.
In un laboratorio coreano, una lamina di nichel e cobalto svolge un compito che il platino svolge da decenni. L'elettrodo scompone l'acqua in idrogeno e ossigeno, e il team del Korea Institute of Energy Research (KIER) afferma che lo fa con un costo dei materiali inferiore del 99% rispetto agli elettrodi a metalli nobili. I dottori Kyung-Soo Kang e Hyun-Jun Lee guidano il lavoro, pubblicato su Advanced Science. Secondo i prezzi indicati dagli stessi ricercatori, il nichel costa circa 0,02 dollari al grammo e il cobalto circa 0,05, contro circa 58 dollari per il platino e 54 per il rutenio.
The problem being solved is slow chemistry. Alkaline electrolysis is the variant best suited to large plants because its equipment is comparatively cheap. But water splits more than 100 times more slowly under alkaline conditions than in acidic ones, so the reaction needs a catalyst. Platinum and ruthenium supply that speed, and their price is what has kept the process from scaling. KIER's answer is an electrode built from two layers of activity on one surface: nickel oxide, which speeds the breaking of water molecules, and a nickel-cobalt alloy, which helps the hydrogen form. The step that limits the whole reaction is water splitting, and the oxide targets that step directly.
Il problema da risolvere è una chimica lenta. L'elettrolisi alcalina è la variante più adatta agli impianti di grandi dimensioni, perché le attrezzature costano relativamente poco. Ma in ambiente alcalino l'acqua si scompone più di 100 volte più lentamente che in ambiente acido, quindi la reazione richiede un catalizzatore. Il platino e il rutenio garantiscono questa velocità, e il loro prezzo è ciò che ha impedito al processo di diffondersi su larga scala. La risposta del KIER è un elettrodo costruito con due strati attivi sulla stessa superficie: ossido di nichel, che accelera la rottura delle molecole d'acqua, e una lega nichel-cobalto, che favorisce la formazione dell'idrogeno. La fase che limita l'intera reazione è la scomposizione dell'acqua, e l'ossido agisce direttamente su di essa.
The numbers are measured on the team's own equipment. The electrode delivers hydrogen output equal to a conventional platinum electrode at roughly 40% of the overpotential, the extra voltage a reaction needs beyond its theoretical minimum. The team says this places it among the best non-noble alkaline electrodes reported over the past three years. In an 8.7-centimetre unit cell, cell voltage was 11% lower than a cell with a conventional nickel electrode. After 600 start-stop cycles, performance stayed stable, a test meant to mimic a plant that runs on intermittent wind or solar power.
I numeri sono misurati con le attrezzature del team. L'elettrodo fornisce una resa di idrogeno pari a quella di un tradizionale elettrodo al platino con circa il 40% del sovrapotenziale, cioè la tensione extra che una reazione richiede oltre il minimo teorico. Secondo il team, questo lo colloca tra i migliori elettrodi alcalini privi di metalli nobili riportati negli ultimi tre anni. In una cella unitaria da 8,7 centimetri, la tensione di cella è risultata inferiore dell'11% rispetto a una cella con elettrodo di nichel convenzionale. Dopo 600 cicli di avvio-arresto, le prestazioni sono rimaste stabili, una prova che simula un impianto alimentato da eolico o solare intermittenti.
For a reader, the point is what this could change in the price of green hydrogen. The team says the technology could let South Korea source the core materials of alkaline electrolysis at home, since the sector has relied heavily on imports, and could lower production costs. Lee says the team has fabricated 40-centimetre electrodes and is optimizing the process for commercial mass production, with a next target of 5,000 cm² for megawatt-scale systems. The publication gives no dates for that step, and the figures so far come from the laboratory. A cell in a lab is not a plant running for years, and a 99% cut in material cost does not by itself mean a 99% cut in what the hydrogen costs to make. Those are the tests that still lie ahead.
Per il lettore, la questione è cosa potrebbe cambiare nel prezzo dell'idrogeno verde. Il team sostiene che la tecnologia potrebbe permettere alla Corea del Sud di approvvigionarsi internamente dei materiali essenziali per l'elettrolisi alcalina, dato che il settore dipende fortemente dalle importazioni, e potrebbe abbassare i costi di produzione. Lee afferma che il team ha realizzato elettrodi da 40 centimetri e sta ottimizzando il processo per la produzione di massa commerciale, con un obiettivo successivo di 5.000 cm² per sistemi da megawatt. La pubblicazione non indica date per questa fase, e i risultati finora provengono dal laboratorio. Una cella di laboratorio non è un impianto che funziona per anni, e una riduzione del 99% del costo dei materiali non significa, di per sé, una riduzione del 99% del costo di produzione dell'idrogeno. Sono questi i test che restano da affrontare.