La tecnologia delle nanostrutture stimola l’energia a idrogeno
L’idrogeno è una promettente fonte di energia pulita, che si ottiene al meglio tramite l’elettrolisi dell’acqua, un processo che sfrutta l’elettricità per scindere H2O in idrogeno e ossigeno. Quando è trainata da energie rinnovabili, la produzione dell’idrogeno avviene a zero emissioni nette e il suo risultato è il cosiddetto «idrogeno verde». Gli elettrocatalizzatori per la reazione di evoluzione dell’idrogeno, ovvero materiali che favoriscono la reazione, sono determinanti per questo processo. Uno dei più apprezzati e più comunemente utilizzati, alla luce della sua elevata attività catalitica, è il platino, che tuttavia è costoso e scarso, due aspetti che ne ostacolano l’impiego in applicazioni industriali. Il progetto HyCat, sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca, ha sviluppato una nanostruttura innovativa che intende ridurre la quantità di platino necessaria nella reazione e abbattere i costi. «L’obiettivo principale di questo progetto consiste nella realizzazione di un elettrocatalizzatore inedito ed efficiente per la produzione di idrogeno mediante la reazione di elettrolisi dell’acqua», afferma Liberato Manna, ricercatore senior presso l’Istituto italiano di tecnologia, nonché coordinatore del progetto HyCat.
Creare un sistema elettrocatalizzatore a nanostruttura
Per produrre il nuovo elettrocatalizzatore, i ricercatori immergono innanzitutto un collettore di corrente in titanio in un bagno chimico contenente rame e altri reagenti, provocando così la crescita di ossido di rame sulla superficie del titanio in nanopiastre orientate verticalmente. Queste nanopiastre, che come spiega Manna sono in sostanza «la ruggine del rame», vengono trasformate in rame metallico a elevata conduttività elettrica, trasmettendo una tensione ridotta al collettore di corrente sottostante. Infine, sempre applicando una tensione ridotta, viene aggiunta una soluzione contenente sali di platino che decora le nanostrutture in rame con nanoparticelle di platino. «Questa procedura complessa produce un catodo contraddistinto da stabilità meccanica e chimica, che permette in particolare un’ottima dispersione delle nanoparticelle di platino», spiega Manna. «Ciò ne massimizza l’area, riducendo al minimo il suo utilizzo e il costo complessivo della tecnologia», dichiara.
Sperimentazioni del nuovo elettrocatalizzatore
Tramite il progetto, il gruppo di HyCat ha condotto centinaia di esperimenti al fine di trovare la soluzione migliore per una serie di parametri. Si è rivelato quindi possibile sostituire il costoso platino con il rutenio, un metallo appartenente alla famiglia del platino di gran lunga più economico, a circa un terzo del costo. La quantità media di rutenio sull’elettrodo equivaleva ad appena 53 μg/cm2, dieci volte in meno rispetto al platino impiegato in altri elettrolizzatori all’avanguardia. «Il nostro catodo ottimizzato si dimostra competitivo in termini di prestazioni», osserva Manna, e aggiunge: «Quando è assemblata in una singola cella, la nostra tecnologia si spinge ben oltre lo stato dell’arte». Se integrato in un impianto H2 da 1 MW, il sistema richiede un costo di produzione di circa 2,26 dollari per kg di idrogeno, in linea con il costo di riferimento per l’idrogeno verde fissato dalla Commissione europea per il 2030, pari a meno di 2,50 dollari/kg.
L’ampliamento della tecnologia
Il prossimo passo che il progetto intende compiere è l’ulteriore ingrandimento dell’elettrodo a una dimensione pratica di circa 100 cm2. In questa scala, infatti, l’elettrolizzatore diventerà utile per la produzione di idrogeno da impiegare in loco, raggiungendo una produzione di elettricità su scala kW. Ad esempio, un elettrolizzatore da 2,5 kW permette di produrre circa un kg di idrogeno al giorno, la quantità necessaria per alimentare una casa. «Verranno svolti studi aggiuntivi sulla base dei dati di prestazione acquisiti su questo tipo di elettrolizzatore, per fornire una teoria approfondita per la costruzione di impianti di idrogeno su scala MW che si avvarranno dei nostri elettrocatalizzatori per la produzione su grande scala», afferma Manna.
Parole chiave
HyCat, nanostruttura, rame, platino, catodo, idrogeno, acqua, scissione, verde, energia