Produzione di idrogeno pulita con catalizzatori di ispirazione biologica
Se l’idrogeno (H2) vuole offrire veramente soluzioni rivoluzionarie per un’energia pulita, la sua produzione deve evitare emissioni di gas serra, quali l’anidride carbonica (CO2). Ciò è attualmente possibile solo se l’H2 viene prodotto dall’acqua mediante elettrolisi, elettricità rinnovabile o foto(elettro)catalisi, utilizzando la luce solare. Per la prima, una tecnica di produzione di H2 pulita utilizza elettrolizzatori a membrana a scambio protonico (PEMEL, Proton-Exchange Membrane ELectrolysers), dispositivi che utilizzano l’elettricità per scindere le molecole d’acqua (H2O) in H2 e ossigeno (O2) in un processo elettrochimico. Le membrane a scambio protonico (PEM) sono realizzate con il polimero sintetico Nafion. Generalmente, gli elettrodi contengono catalizzatori a base di metalli nobili, ovvero ossido di iridio per spingere l’evoluzione di O2 e platino per produrre H2. Sebbene la tecnologia sia in circolazione da un certo tempo, questi componenti sono proibitivamente costosi e la scarsa quantità di metalli nobili nella crosta terrestre rende tali tecnologie insostenibili. In alternativa, il team PRODUCE-H2 (PROtotype Demonstration Using low-cost Catalysts for Electrolysis to H2) sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca (CER) ha sviluppato catalizzatori innovativi per la produzione di H2 basati su elementi abbondanti della Terra.
Imitare la fotosintesi
PRODUCE-H2 si è basato sui risultati di un progetto precedente, photocatH2ode, che aveva sviluppato materiali per convertire la luce solare direttamente in combustibile H2, ispirandosi al modo in cui le microalghe producono H2 per ottenere energia, utilizzando la luce solare. Il precedente progetto del CER, photocatH2ode, ha sviluppato fotoelettrodi che combinavano materiali per la raccolta della luce, inclusi coloranti organici, polimeri conduttori e semiconduttori, con catalizzatori per la produzione di H2 ispirati agli enzimi idrogenasi. «Abbiamo integrato fotocatodi in celle fotoelettrochimiche complete, in grado di utilizzare la luce solare per scindere l’acqua e produrre H2», afferma Vincent Artero, ricercatore principale della Commissariato francese per l’energia atomica e le energie alternative (CEA). Durante photocatH2ode, il team ha scoperto che la struttura molecolare del solfuro di molibdeno amorfo, un elettrocatalizzatore per la produzione di H2, potrebbe essere facilmente manipolata per migliorare le prestazioni e la stabilità. Inoltre, il molibdeno aveva il vantaggio di essere abbondantemente disponibile. In PRODUCE-H2, vari materiali compositi, derivati da catalizzatori di solfuro di molibdeno amorfo, sono stati formulati in inchiostri catalitici utilizzando una tecnica in attesa di brevetto. Questi elettrocatalizzatori sono stati poi testati in PEMEL. «È stata la prima volta che i catalizzatori di metalli non preziosi sono stati testati in questo modo. Alcuni dei materiali hanno mostrato un’ottima stabilità e un’attività ragionevole, rispetto al platino», spiega Artero. Dopo aver testato vari metodi di produzione di catalizzatori, il team ha scoperto che un metodo di sintesi con precursori economici e utilizzando un forno a microonde produceva rapidamente i materiali più attivi e stabili. «Questo metodo è facilmente scalabile e l’analisi del ciclo di vita, in collaborazione con Toyota Motor Europe (che produce auto alimentate a idrogeno), ha indicato gli effetti ambientali e il vantaggio in termini di costi di tali catalizzatori rispetto a quelli a metalli nobili», afferma Artero.
Verso un’economia dell’idrogeno
Il team PRODUCE-H2 sta ora lavorando per finalizzare lo sviluppo di un prototipo di elettrolizzatore PEM, basato su plastica biocompatibile e utilizzando una produzione additiva. Per far progredire ulteriormente il lavoro, i ricercatori intendono combinare il catalizzatore che produce H2 con altri catalizzatori di metalli non preziosi. Desiderano in particolare trovare un mezzo per sostituire l’ossido di iridio che produce O2 con un catalizzatore più sostenibile, una sfida più complicata. «Vogliamo anche integrare questi catalizzatori nel nostro prototipo PEMEL in bioplastica e accoppiarlo con una cella fotovoltaica per produrre H2 dalla luce solare e dall’acqua. Questo metodo alternativo per la generazione di H2 potrebbe rivelarsi più competitivo della fotoelettrocatalisi a breve termine», aggiunge Artero. I risultati di PRODUCE-H2 potrebbero contribuire a decarbonizzare i sistemi energetici, di trasporto e industriali contribuendo allo sviluppo di un’economia dell’idrogeno, offrendo all’UE maggiore indipendenza e sicurezza energetica riducendo la dipendenza dai combustibili fossili importati.
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