Impatto della sovracompressione degli elettrodi a diffusione di gas negli elettrolizzatori CO2 a gap zero alcalini

Perché comprimere i dispositivi per energie pulite è importante

Trasformare l’anidride carbonica (CO2) in combustibili e prodotti chimici utilizzando elettricità può contribuire a ridurre le emissioni di gas serra, specialmente se l’elettricità proviene da fonti rinnovabili. Molti dei dispositivi più promettenti per la conversione della CO2 sono costruiti come sandwich, con strati sottili e porosi che devono essere serrati saldamente. Questo studio mostra che comprimere troppo uno di questi strati — l’elettrodo a diffusione di gas in un elettrolizzatore CO2 alcalino a gap zero — può avere effetti negativi: ostruisce i percorsi del gas, favorisce l’allagamento e l’accumulo di sali e alla fine riduce efficienza e stabilità. Trovare il livello di compressione “giusto” si rivela una leva semplice ma potente per migliorare le prestazioni.

Come questi dispositivi trasformano la CO2 in combustibile

Il lavoro si concentra sugli elettrolizzatori CO2 alcalini a gap zero, un tipo di dispositivo in cui gas di CO2 umidificato entra da un lato (il catodo) e dall’altro scorre una soluzione liquida (l’anodo). Tra i due si trova una sottile membrana e due elettrodi a diffusione di gas porosi che mettono in contatto gas, liquidi ed elettroni sui siti catalitici. Al catodo, la CO2 viene convertita principalmente in monossido di carbonio (CO), un mattone utile per la produzione di combustibili e prodotti chimici, mentre l’idrogeno gassoso (H2) è un sottoprodotto indesiderato. Perché il dispositivo funzioni in modo efficiente, il gas CO2 deve raggiungere il catalizzatore, il liquido non deve allagare i pori e cristalli di sale non dovrebbero formarsi all’interno dell’elettrodo. La compressione meccanica — quanto saldamente è serrato lo stack — modifica direttamente lo spessore e la porosità di questo strato poroso e quindi tutti questi processi di trasporto.

Quando una serratura troppo stretta causa blocchi nascosti

I ricercatori hanno confrontato tre livelli di compressione dell’elettrodo a diffusione di gas del catodo: riduzioni di spessore del 10%, 20% e 30%. Utilizzando immagini a raggi X ad alta velocità in un sincrotrone, hanno osservato in tempo reale come il liquido proveniente dall’anodo, l’acqua condensata e i precipitati salini solidi si distribuissero all’interno del catodo. Alla compressione massima, 30%, i pori dell’elettrodo sono diventati più tortuosi e meno aperti. I dati di assorbimento X hanno mostrato che una maggiore quantità di liquido e sale concentrato si accumulava in particolare vicino alla zona catalitica e all’interfaccia dove il gas entra per la prima volta nello strato poroso. Questo ha creato sacche locali di liquido e sale intrappolati che hanno bloccato il flusso di CO2, una sorta di ingorgo microscopico che peggiorava col tempo.

Misurare le perdite di prestazione dall’interno

Per collegare questi cambiamenti interni alle prestazioni reali, il team ha fatto funzionare l’elettrolizzatore a densità di corrente rilevante a livello industriale monitorando la tensione della cella, i componenti di resistenza e la distribuzione dei prodotti. Al 30% di compressione, la tensione della cella ha mostrato forti fluttuazioni, coerenti con un flusso bifase instabile in cui il gas viene intermittentemente ostruito dal liquido. Le misure di impedenza elettrochimica hanno rivelato che la resistenza al trasporto di massa — quanto è difficile per i reagenti raggiungere i siti di reazione — era più di sette volte maggiore al 30% rispetto al 10% alla fine del test. Questo aumento è stato collegato all’accumulo di sali piuttosto che a problemi all’anodo, che ha mostrato quasi nessun cambiamento nella distribuzione del liquido. Al contrario, la resistenza ohmica, relativa alla semplice conduzione elettrica, è cambiata poco con la compressione, indicando che la sovracompressione danneggia principalmente il trasporto gas–liquido più che la conduttività di base.

Trovare il punto ottimale per la produzione di combustibile

Il team ha inoltre misurato quanto selettivamente il dispositivo produceva CO invece di H2 durante una prova di 90 minuti. Inizialmente, gli elettrodi altamente compressi mostravano una produzione di CO leggermente più elevata, probabilmente perché distanze di diffusione più brevi favorivano temporaneamente l’accesso della CO2. Ma con l’accumularsi di liquido e sale nei pori ristretti, la produzione di CO è diminuita bruscamente, mentre la produzione di H2 è aumentata e poi si è stabilizzata, segnalando che la CO2 era sempre più bloccata mentre l’acqua raggiungeva ancora il catalizzatore. Il caso con compressione leggera (10%) partiva con una frazione di CO inferiore ma la manteneva molto più costante, terminando con la più alta efficienza media di CO e una minore degradazione delle prestazioni. Ciò indica che una struttura porosa più aperta e meno tortuosa bilancia meglio l’accesso al gas, la presenza di liquido e la gestione dei sali nel tempo.

Cosa significa per una conversione della CO2 più pulita

In termini pratici, questo studio mostra che “più pressione” non è sempre meglio quando si assemblano elettrolizzatori per CO2. Un livello di compressione moderato di circa il 10% è stato sufficiente a mantenere un buon contatto tra gli strati preservando percorsi aperti per il gas CO2 e limitando l’intrappolamento di liquidi e sali. Sovracomprimere l’elettrodo a diffusione di gas ha schiacciato i canali di cui il dispositivo ha bisogno per «respirare», portando a tensioni instabili, perdite di trasporto più elevate e una più rapida perdita della selettività verso il CO. Regolando con attenzione la compressione meccanica — un parametro di progetto a basso costo — gli ingegneri possono estendere la vita utile del dispositivo, stabilizzare il funzionamento ad alte correnti e avvicinare l’elettrolisi della CO2 a un impiego industriale praticabile.

Citazione: Farsi, A., Batta, V., Tugirumubano, A. et al. Impact of over compressing gas diffusion electrodes in alkaline zero-gap CO₂ electrolyzers. Sci Rep 16, 12443 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42959-1

Parole chiave: elettrolisi della CO2, elettrodo a diffusione di gas, compressione meccanica, trasporto di massa, conversione elettrochimica