Caso di studio: Schiuma di titanio per elettrolizzatori d'acqua PEM

Introduzione

Stanford Advanced Materials (SAM), una fonte affidabile di materiali avanzati e metalli speciali, ha recentemente supportato un progetto di ricerca universitario negli Stati Uniti che richiedeva una schiuma di titanio di alta qualità come parte di un elettrolizzatore di acqua PEM(Proton Exchange Membrane).

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La sfida

Il team di ricerca si è rivolto a SAM con i seguenti requisiti:

• Idoneità del materiale per la ricerca PEM - La schiuma di titanio doveva dimostrare di essere stabile se esposta a condizioni operative altamente acide, tipiche degli elettrolizzatori PEM.
• Integrità strutturale e porosità - La schiuma doveva essere meccanicamente stabile, pur garantendo una rete di pori adeguata per facilitare la diffusione del gas e la dispersione del catalizzatore.
• Dimensioni del campione su scala di ricerca - Il test ha richiesto un'impostazione sperimentale e il collaudo di un foglio di schiuma di titanio (20 cm × 20 cm × 5 mm) in laboratorio.

La soluzione

Il consulente tecnicodi SAM ha consigliato l'uso della schiuma di titanio TI1816, un prodotto in titanio poroso di altissima qualità ampiamente utilizzato nelle applicazioni energetiche ed elettrochimiche.

La schiuma di titanioSAM contiene uno strato di ossido naturale che la protegge dalla corrosione in ambienti acidi. La schiuma fornita ha mostrato un'elevata area superficiale e una porosità aperta, che hanno aumentato l'utilizzo del catalizzatore e favorito un efficace rilascio di idrogeno e ossigeno.

I risultati

Il gruppo di ricerca è riuscito a implementare la schiuma di titanio SAM nelle sue attività di R&S sugli elettrolizzatori PEM ad acqua. I risultati principali sono stati:

• Validazione della schiuma di titanio come substrato appropriato - Il materiale ha dimostrato il potenziale per servire come supporto per elettrodi, soddisfacendo i requisiti strutturali e di resistenza alla corrosione.
• Miglioramento dell'efficacia della ricerca - Le dimensioni precise hanno permesso l'integrazione diretta negli assemblaggi di prova senza ulteriori lavorazioni.
• R&S sull'energia pulita - Con l'acquisto della schiuma di titanio da SAM, il progetto ha continuato a perseguire l'obiettivo di ottimizzare l'efficienza dell'elettrolizzatore e le prestazioni della produzione di idrogeno.

Cos'è la schiuma di titanio?

Il titanio espanso è un metallo leggero poroso e tridimensionale che combina i vantaggi meccanici e chimici del titanio con le caratteristiche prestazionali uniche di una struttura espansa. È realizzata con metodi quali la metallurgia delle polveri con tecniche di supporto spaziale, la liofilizzazione o la produzione additiva (stampa 3D), che consentono di controllare la porosità, le dimensioni dei pori e l'omogeneità strutturale.

Caratteristiche strutturali

La schiuma di titanio possiede tipicamente una porosità compresa tra il 40% e l'80%, che può essere regolata in base all'applicazione desiderata. La dimensione dei pori può essere adattata da decine di micron a diversi millimetri, consentendo caratteristiche di trasporto di massa personalizzate. Nonostante la struttura aperta, la resistenza alla compressione e la rigidità della schiuma di titanio rispetto alla densità sono molto elevate e la rendono resistente sotto carico. La struttura metallica continua fornisce una buona conduttanza elettrica e di conseguenza è adatta come supporto per elettrodi o collettore di corrente.

Caratteristiche principali

1. Resistenza alla corrosione - Il rivestimento in TiO₂ del titanio è resistente alla degradazione acida e ossidativa.
2. Elevata area superficiale specifica - Offre ampi siti di reazione per facilitare le reazioni elettrochimiche e la deposizione di catalizzatori.
3. Permeabilità a gas e fluidi - I pori sono collegati in modo tale da consentire il rilascio di gas e il trasporto di acqua.
4. Struttura a bassa densità - Densità inferiore rispetto al titanio solido, ma mantiene la resistenza richiesta.
5. Biocompatibilità - Non è tossico ed è compatibile con i sistemi biologici, quindi viene utilizzato anche nelle applicazioni biomediche.

Applicazioni della schiuma di titanio

• Energia ed elettrochimica: La schiuma di titanio serve come substrati anodici, supporti per catalizzatori e collettori di corrente negli elettrolizzatori ad acqua PEM e come campi di flusso e strati di diffusione del gas nelle celle a combustibile. Viene anche utilizzata come impalcatura conduttiva nelle batterie agli ioni di litio e allo stato solido.
• Ingegneria biomedica: La schiuma di titanio nelle impalcature ossee e negli impianti ossei migliora l'osteointegrazione e nelle protesi dentarie e negli impianti chirurgici grazie alla sua biocompatibilità e tenacità.
• Trattamento chimico e catalisi: Viene applicato come supporto catalitico nelle reazioni di idrogenazione e ossidazione e nei filtri e reattori elettrochimici che richiedono resistenza alla corrosione.
• Aerospaziale e difesa: La schiuma di titanio fornisce elementi strutturali leggeri e resistenti alla corrosione e compositi di gestione termica per applicazioni aerospaziali.

Perché la schiuma di titanio e non altri materiali?

Nella scelta dei materiali per elettrodi e substrati per gli elettrolizzatori PEM ad acqua, esistono diverse opzioni, ma la schiuma di titanio presenta alcuni vantaggi:

Per ulteriori informazioni e materiali avanzati, consultare Stanford Advanced Materials (SAM).

Cos'è la schiuma di titanio TI1816 di SAM?

TI1816 Titanium Foam è un materiale di titanio poroso unico nel suo genere, fornito da Stanford Advanced Materials. Fornito in lastre di dimensioni, spessori e tassi di porosità speciali per soddisfare le esigenze dei clienti, è prodotto con un'elevata purezza e omogeneità strutturale ed è particolarmente adatto per ambienti difficili come l'elettrolisi, la catalisi e la ricerca biomedica.

Conclusioni

Grazie a questa collaborazione, Stanford Advanced Materials ha fornito una schiuma di titanio su misura per la ricerca sull'elettrolizzatore di acqua PEM. Dalla soddisfazione dei requisiti strutturali e di resistenza alla corrosione del progetto alla fornitura di dimensioni precise, SAM si è affermata come collaboratore affidabile sia per l'industria che per i clienti accademici.

Riferimenti:

[1] Lettenmeier, Philipp & Gago, Aldo & Friedrich, K. (2017). Rivestimenti protettivi per piastre bipolari e collettori di corrente a basso costo di elettrolizzatori a membrana a scambio protonico per l'accumulo di energia su larga scala da fonti rinnovabili. 10.5772/intechopen.68528.