Elettrolisi continua sostenibile dell’acqua di mare usando un catalizzatore a interfaccia atomica tramite una strategia a mezzo liquido

Trasformare l’acqua di mare in combustibile pulito

Mentre il mondo ricerca carburanti più puliti, l’idrogeno prodotto dall’acqua mediante elettricità rinnovabile risulta particolarmente interessante. Ma gli impianti per l’idrogeno su larga scala normalmente fanno affidamento su acqua dolce scarsa, e i tentativi di usare direttamente acqua di mare si scontrano con gravi problemi tecnici come intasamento, corrosione e reazioni laterali inutili. Questo studio presenta un modo pratico per trasformare acqua di mare comune in un flusso continuo di idrogeno senza prima rimuovere il sale, impiegando un sistema di filtraggio progettato con cura e un catalizzatore altamente efficiente costruito da atomi metallici disposti in modo preciso.

Perché l’acqua di mare è così difficile da usare

A prima vista l’acqua di mare dovrebbe essere una materia prima ideale per l’idrogeno: gli oceani contengono quasi tutta l’acqua liquida della Terra. Eppure l’elettrolisi dell’acqua di mare—la scissione dell’acqua in idrogeno e ossigeno mediante elettricità—si comporta in modo molto diverso rispetto all’elettrolisi dell’acqua pura. All’elettrodo negativo, l’accumulo locale di ioni idrossido porta il calcio e il magnesio disciolti a formare croste minerali ostinate che incrostano la superficie. All’elettrodo positivo, gli ioni cloruro possono ossidarsi in composti contenenti cloro che corrodono le parti e rappresentano rischi per la sicurezza. Questi effetti congiunti rendono i dispositivi esistenti per l’acqua di mare inefficienti, di breve durata e difficili da scalare.

Un sistema a due stadi che lascia passare solo l’acqua

I ricercatori hanno costruito un sistema che mantiene i sali problematici a distanza. L’acqua di mare viene pompata intorno all’esterno di un modulo “filtro a pallone”, mentre un elettrolita alcalino concentrato circola internamente. Solo le molecole d’acqua sono autorizzate a migrare attraverso la sottile membrana del pallone, spinte dall’elettrolisi in corso nella cella a valle. I sali e gli altri ioni presenti nell’acqua di mare restano all’esterno. L’acqua in ingresso entra poi in un elettrolizzatore a membrana a scambio anionico, dove viene divisa in idrogeno e ossigeno in un ambiente strettamente controllato. Poiché la velocità con cui l’acqua attraversa il pallone è automaticamente legata al tasso di produzione di gas, la concentrazione dell’elettrolita rimane praticamente costante senza sistemi di controllo complessi.

Un catalizzatore costruito atomo per atomo

Per rendere efficiente la scissione con questa acqua filtrata, il team ha progettato un nuovo catalizzatore a base di ossidi di nichel e molibdeno disposti alla scala degli atomi. Usando un metodo di preparazione in mezzo liquido, hanno fatto crescere una foresta di minuscoli pozzetti a forma di ciotola su un supporto di nichel e poi hanno formato innumerevoli ponti in cui atomi di nichel si connettono al molibdeno tramite atomi di ossigeno. Questi ponti Mo–O–Ni conferiscono a ciascun sito di reazione una doppia funzione: un lato favorisce la rottura delle molecole d’acqua, mentre l’altro favorisce l’assemblaggio e il rilascio dell’idrogeno gassoso. Microscopie e avanzate misure ai raggi X hanno confermato la struttura desiderata e mostrato che gli atomi di nichel vicini ai ponti assumono uno stato elettronico ideale per accelerare la reazione.

Reazioni rapide, funzionamento stabile

Nei test di laboratorio, il nuovo catalizzatore ha richiesto solo una piccola sovratensione per iniziare a produrre idrogeno e ha mantenuto tassi di reazione rapidi anche a correnti di scala industriale. La sua superficie nano‑ruvida e altamente bagnabile permette alle bolle di gas di staccarsi rapidamente, impedendo che ostruiscano l’afflusso di acqua fresca verso i siti attivi. Esperimenti operando—misure effettuate mentre il catalizzatore è effettivamente in funzione—hanno rivelato che la struttura rimane stabile durante il funzionamento, e che le regioni ricche di Mo aiutano ad indebolire i legami interni dell’acqua mentre le regioni ricche di Ni liberano più facilmente l’idrogeno. Simulazioni al computer hanno supportato questo quadro mostrando che i ponti atomici abbassano le barriere energetiche sia per la scissione dell’acqua sia per il rilascio dell’idrogeno rispetto a materiali più semplici.

Un sistema acqua di mare–idrogeno di lunga durata

Combinati, il filtro a pallone e il catalizzatore Mo–O–Ni hanno formato un sistema di elettrolisi dell’acqua di mare che ha funzionato in continuo a corrente elevata per migliaia di ore. Test con acqua di mare reale del Mar Bohai hanno mostrato che quasi nessun ione salino è trapelato nell’elettrolita, non sono stati rilevati sottoprodotti contenenti cloro e la tensione necessaria per mantenere il dispositivo in funzione è aumentata solo leggermente nel tempo. In termini semplici, lo studio dimostra un percorso realistico per trasformare l’abbondante acqua di mare in idrogeno pulito senza prima desalinizzarla, separando in modo intelligente dove si trovano i sali e progettando con precisione come gli atomi sulla superficie di un catalizzatore lavorano insieme.

Citazione: Shi, Z., Shi, W., Zhang, C. et al. Sustainable continuous seawater electrolysis using atomic interface catalyst via liquid-medium strategy. Nat Commun 17, 3940 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70234-4

Parole chiave: elettrolisi dell’acqua di mare, idrogeno verde, elettrocatalizzatore, interfaccia nichel molibdeno, membrana a scambio anionico