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Produrre idrogeno dall'acqua: lo studio su Nature Communications

12 Dicembre, 2016
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Produrre idrogeno dall’acqua grazie a un processo elettrochimico, 'pulito' ed efficiente: un team italiano ha dimostrato che è possibile.

È comunemente accettato che le emissioni antropiche di CO2 siano fra le principali cause del riscaldamento globale e all’origine di molti devastanti fenomeni atmosferici che stanno caratterizzando i nostri tempi. Tutto sembra essere legato a un uso intensivo, massiccio e ormai insostenibile di combustibili fossili. Con grande interesse e speranza si guarda alle possibili soluzioni proposte dalla comunità scientifica internazionale, e in particolare a combustibili alternativi. Tra essi l’idrogeno, un vettore energetico pulito già profeticamente descritto da Verne nel suo romanzo “L’isola misteriosa”.

In questo contesto, è di fresca pubblicazione sulla prestigiosa rivista Nature Communications un lavoro che ha visto coinvolte le Università di Trieste, Bologna, Padova, il CNR di Parma, il Consorzio INSTM, l’istituto ICCOM-CNR, il CIC Biomagune di San Sebastian e le Università della Pennsylvania e di Stanford. I Prof. Maurizio Prato e Paolo Fornasiero dell’Università di Trieste, insieme ai gruppi del prof Francesco Paolucci dell’Università di Bologna e della prof Marcella Bonchio dell’Università di Padova, hanno coordinato la fase di design e preparazione di nuovi nanomateriali, eccezionalmente efficaci per la produzione di idrogeno da elettrolisi dell’acqua.

Lo studio si inserisce in un contesto internazionale molto delicato, in cui risulta fondamentale lo sviluppo di nuove tecnologie in grado di soddisfare il fabbisogno energetico di un pianeta la cui popolazione è in costante crescita e con sempre maggiori aspettative di miglioramento della qualità di vita. In un futuro che i protagonisti del lavoro auspicano prossimo, l’uso sostenibile di energie rinnovabili aventi impatto atmosferico nullo risolverebbe in un colpo solo tante problematiche moderne, con conseguenze positive sul benessere della popolazione mondiale. L’idrogeno, la molecola più semplice conosciuta dall’uomo, abbinato a efficienti, silenziose e pulite celle a combustibile potrebbe essere la soluzione.

Come spiega il prof. Maurizio Prato, «A parità di peso, l’idrogeno contiene quasi tre volte il contenuto energetico del gas naturale, e la sua combustione porta semplicemente alla produzione di acqua. Sembra impossibile immaginare a prima vista una fonte energetica più pulita. Ma una così semplice molecola nasconde in realtà insidie che finora ne hanno rallentato l’utilizzo in campo energetico». Come detto, l’H2 è un vettore energetico, e sulla Terra non ne esistono miniere o riserve come per carbone, petrolio o metano. Ciò significa che esso deve essere in qualche modo prodotto. Effettivamente la produzione di idrogeno è al momento un’industria multimilionaria, essendo l’H2 utilizzato in diversi settori industriali quali per esempio la sintesi dell’ammoniaca e degli importantissimi fertilizzanti che da essa si ottengono. Ma allora cosa impedisce l’entrata in gioco di un’economia energetica basata sull’idrogeno?

«A parte importanti aspetti di stoccaggio, distribuzione e sicurezza dell’idrogeno - prosegue il prof. Paolo Fornasiero dell’Università di Trieste e del CNR - il maggiore ostacolo risiede proprio nella produzione sostenibile dell’idrogeno. Al momento esso viene prodotto quasi esclusivamente attraverso un processo chiamato “reazione di reforming”, il quale si basa sulla trasformazione di metano in idrogeno e monossido di carbonio, un processo di sicuro non sostenibile visto che si basa sull’utilizzo combustibili fossili».

Il dr. Giovanni Valenti, ricercatore presso l’Università di Bologna, spiega invece come «è possibile ottenere una produzione sostenibile di idrogeno partendo da fonti interamente rinnovabili. L’acqua, molecola che ha permesso la vita sulla Terra, può oggi dare vita anche a una rivoluzione in campo energetico. L’idrogeno infatti può essere prodotto dall’acqua grazie a un processo elettrochimico, pulito ed efficiente, noto come elettrolisi.» Il dr. Michele Melchionna, del Consorzio INSTM, sottolinea come «per poter essere competitivi è essenziale che i processi di produzione di H2 siano sempre più efficienti, il che richiede necessariamente l’utilizzo di catalizzatori».

Ancora una volta, la chiave per una svolta è posta nelle mani delle nanotecnologie, settore in cui l’Università di Trieste ha da molti anni dimostrato di possedere grandi competenze e di livello internazionale. I nanomateriali, grazie alle loro eccezionali proprietà, godono al momento di un’indiscussa leadership nel campo dei materiali per diverse applicazioni in campo tecnologico, e hanno le potenzialità per stimolare quel decisivo passo in avanti anche nell’ambito della produzione sostenibile di H2. Negli ultimi anni è emersa l’importanza di combinare su scala nanometrica più componenti collegati tra loro in un ordine strutturale ben definito. Tali composti sono stati battezzati come “nanomateriali gerarchici”, in cui ogni componente interagisce sinergicamente con gli altri come in un’orchestra ben affiatata. Il risultato è la comparsa di proprietà uniche, risultanti in performance significativamente più elevate per diversi processi catalitici, incluso la produzione di idrogeno.

Il prof. Maurizio Prato, un’autorità mondiale nel campo dei materiali nanostrutturati a base di carbonio sottolinea che «si è molto parlato dell’utilizzo di nanotubi di carbonio come componente in sistemi elettrocatalitici avanzati, ma da un punto di vista pratico sono ancora relativamente pochi i sistemi con nanotubi integrati che siano qualificati per una reale implementazione industriale. Il nostro studio contribuisce a colmare tale mancanza». Il dott. Michele Melchionna, che ha curato la sintesi dei nuovi catalizzatori, aggiunge che «il materiale da noi ideato e sviluppato parte da nanotubi di carbonio come base dell’intelaiatura complessiva, aggiungendo componenti metalliche in modo da esaltarne le proprietà catalitiche».

«Abbiamo stabilito un nuovo stato dell’arte nella ricerca per la produzione di idrogeno attraverso processi di elettrolisi – spiega il prof. Francesco Paolucci, docente dell’Università di Bologna. Siamo ancora distanti dalla rivoluzione promessa dall’idrogeno per un’energia pulita e a impatto ecologico zero, ma questi risultati suggeriscono che la strada intrapresa è quella giusta.»

Questo lavoro dimostra ancora una volta come la collaborazione interdisciplinare tra gruppi di ricerca è e sempre sarà un fattore decisivo nel raggiungimento di obbiettivi scientifici sfidanti.

 

Informazioni editoriali
Co-axial heterostructures integrating palladium/titanium dioxide with carbon nanotubes for efficient electrocatalytic hydrogen evolution - Nature Communications, 12 dicembre 2016

DOI: 10.1038/NCOMMS13549
http://dx.doi.org/10.1038/NCOMMS13549

Referenti:
Prof. Paolo Fornasiero
Dipartimento di Scienze Chimiche e Farmaceutiche
e-mail: pfornasiero@units.it
tel 040/5583973
http://meeresearch.weebly.com/

Prof. Maurizio Prato
Dipartimento di Scienze Chimiche e Farmaceutiche
e-mail: prato@units.it
tel. 040/558.7883 – 040/558.3598
https://www2.units.it/pratoweb/Maurizio_Prato/Welcome.html