Identifying intercalation electrodes for electrochemical ion recovery and desalination
Questo studio impiega un flusso di lavoro computazionale ad alto rendimento per esaminare oltre 20.000 materiali e identificare 11 promettenti elettrodi di intercalazione per il recupero selettivo di ioni e uno per la dissalazione, offrendo un elenco di candidati termodinamicamente validati per far progredire le tecnologie di trattamento dell'acqua a efficienza energetica.
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L'acqua dolce sta diventando una risorsa sempre più scarsa con l'innalzamento del livello del mare e l'aumento del contenuto salino di fiumi e laghi dovuto alle attività umane. Sebbene la rimozione del sale dall'acqua di mare per creare acqua potabile sia una sfida nota, gli oceani contengono anche un tesoro di preziosi minerali come litio, magnesio e calcio. Estrarre questi elementi specifici dalla stessa acqua che vogliamo depurare presenta un problema ingegneristico unico. I metodi tradizionali per la pulizia dell'acqua, come forzarla attraverso membrane sottili, sono efficaci nel rimuovere tutti i sali ma non possono distinguere tra un minerale utile e uno inutile. Al contrario, i metodi progettati per estrarre un singolo minerale spesso faticano a lavorare in modo efficiente nell'ambiente complesso e salino dell'oceano. La soluzione risiede nel trovare materiali che possano agire come spugne selettive, assorbendo solo gli ioni che desideriamo lasciando indietro il resto, o viceversa, assorbendo tutto per lasciare acqua pura.
Per risolvere questo problema, i ricercatori si sono rivolti a una classe di materiali noti come elettrodi di intercalazione. Si tratta di strutture solide dotate di minuscoli spazi vuoti all'interno dei loro reticoli cristallini, molto simili a un nido d'ape con alcune celle mancanti. Quando vengono immersi in acqua e collegati a una fonte di energia, questi materiali possono estrarre atomi carichi, o ioni, dal liquido e bloccarli in sicurezza in quegli spazi vuoti. Questo processo è lo stesso meccanismo che permette alle batterie agli ioni di litio di immagazzinare energia, ma qui l'obiettivo non è immagazzinare elettricità, bensì raccogliere atomi specifici dall'acqua. La sfida è che i materiali attualmente utilizzati per questo scopo, come certi composti di ferro e manganese, spesso si degradano o si dissolvono quando esposti alle dure condizioni dell'acqua di mare. Sono troppo lenti nel lavorare o semplicemente instabili nel tempo.
In un nuovo studio, un team di scienziati si è posto l'obiettivo di trovare materiali migliori esplorando migliaia di possibilità che non sono mai state testate in laboratorio. Non hanno mescolato sostanze chimiche in un becher; hanno invece utilizzato potenti computer per simulare come diverse strutture cristalline si comporterebbero nell'acqua di mare. Sono partiti da una massiccia biblioteca digitale contenente oltre 20.000 diverse strutture chimiche che contengono litio, sodio, potassio, magnesio o calcio. Utilizzando un metodo chiamato teoria del funzionale della densità, che calcola l'energia degli atomi e degli elettroni, hanno modellato la reazione di ciascuna struttura quando immersa in acqua con la specifica composizione chimica dell'oceano.
I ricercatori hanno dovuto tenere conto del fatto che l'acqua di mare non è solo acqua e sale; è una complessa zuppa di ioni che può attaccare e dissolvere molti materiali. Hanno costruito mappe dettagliate, note come diagrammi di Pourbaix, che mostrano esattamente quali combinazioni di acidità e tensione elettrica permettono a un materiale di rimanere solido e stabile. Hanno adattato queste mappe includendo gli ioni specifici presenti nell'acqua di mare, come cloruro e solfato, che vengono spesso ignorati nei test standard. Hanno poi applicato un insieme rigoroso di regole: un materiale doveva rimanere stabile nell'acqua di mare, essere in grado di trattenere gli ioni catturati senza sfaldarsi e farlo a una tensione elettrica sicura e pratica. Hanno inoltre cercato materiali che potessero essere selettivi, ovvero capaci di afferrare un solo tipo di ione, o non selettivi, ovvero capaci di afferrarne diversi tipi contemporaneamente.
Dopo aver eseguito queste simulazioni, il numero di candidati praticabili è diminuito drasticamente. Dalle iniziali 20.414 strutture, solo un manipolo ha superato ogni test. Il team ha identificato 11 materiali promettenti che agiscono come spugne selettive per ioni specifici. Ad esempio, hanno scoperto un materiale chiamato molibdato di ferro che è altamente efficace nel catturare il litio, un elemento critico per le batterie, ignorando altri ioni. Hanno anche trovato altre strutture che potrebbero catturare selettivamente magnesio, calcio, sodio o potassio. Queste scoperte sono significative perché offrono un elenco di ricette chimiche specifiche che gli sperimentali possono ora provare a costruire e testare nel mondo reale. Alcuni di questi materiali sono già noti per la loro esistenza, mentre altri sono scoperte teoriche interamente nuove che il computer suggerisce possano funzionare.
Lo studio ha anche cercato materiali che potessero agire come spugne generali per la desalinizzazione, rimuovendo tutti gli ioni indesiderati per lasciare acqua pulita. I ricercatori hanno scoperto che un materiale comune noto come fosfato di olivina-ferro è il miglior candidato per questo compito, capace di catturare quattro diversi tipi di ioni simultaneamente. Tuttavia, hanno escluso esplicitamente diversi altri materiali che sono attualmente utilizzati nella ricerca, come certi composti a base di manganese. Le loro simulazioni hanno dimostrato che questi materiali a base di manganese si dissolverebbero nell'acqua di mare, rendendoli inadatti per un uso a lungo termine. Questa distinzione è fondamentale, poiché evita agli scienziati di perdere tempo cercando di migliorare materiali che sono fondamentalmente instabili nell'ambiente oceanico.
I ricercatori hanno anche notato che il loro elenco è fortemente influenzato dai dati disponibili nella loro biblioteca digitale. Poiché è stata condotta molta più ricerca sul litio per le batterie, esistono più strutture contenenti litio, motivo per cui l'elenco finale contiene molti candidati selettivi per il litio. Hanno ammesso che i loro modelli informatici si basano su condizioni ideali e non tengono ancora conto della velocità con cui gli ioni si muovono attraverso il materiale o di come il materiale potrebbe degradarsi nel corso di anni. Ciononostante, lo studio fornisce una solida tabella di marcia termodinamica. Ci dice quali materiali sono abbastanza stabili da esistere nell'oceano e quali sono probabilmente destinati a fallire, offrendo un punto di partenza chiaro per lo sviluppo della prossima generazione di tecnologie per il raccolto delle risorse e la pulizia della nostra acqua.
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