Una ricerca congiunta tra IIT e lo spin-off BeDimensional ha identificato una soluzione basata su particelle di rutenio e un sistema di elettrolisi ad energia solare
Cosa serve per produrre idrogeno in modo efficiente, più economico e più “verde”? Piccole particelle di rutenio e un sistema di elettrolisi dell’acqua alimentato da energia solare. È questa la soluzione identificata da una ricerca congiunta dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) a Genova, e di BeDimensional S.p.A. (spin-off dell’IIT). La tecnologia, sviluppata nel contesto delle attività del Joint-lab e descritta in due lavori consecutivi su riviste scientifiche internazionali, Nature Communications e il Journal of the American Chemical Society, si basa su una nuova famiglia di elettrocatalizzatori per la produzione di idrogeno che potrebbero abbattere i costi di produzione dell’idrogeno verde, se prodotti su scala industriale.
L’idrogeno è considerato una fonte di energia sostenibile alternativa ai combustibili fossili ed è attualmente prodotto tramite un processo alimentato a metano, durante il quale viene prodotta anidride carbonica, sebbene in quantità inferiore rispetto a processi che usano come fonte di energia primaria il carbone. La ricerca scientifica e tecnologica punta a sostituire tali processi, detti rispettivamente di idrogeno “grigio” e di idrogeno “nero”, con metodi più sostenibili dal punto di vista ambientale, detti di idrogeno “verde”, gli unici che potrebbero essere significativi per ridurre le emissioni a zero entro il 2050.
I costi della produzione dell’idrogeno “verde” dipendono, tuttavia, dall’efficienza energetica dei dispositivi che permettono la scissione delle molecole di acqua in idrogeno e ossigeno, ovvero gli elettrocatalizzatori. I ricercatori si sono focalizzati su un nuovo metodo per garantire una maggiore efficienza nella conversione dell’energia elettrica – quella che permette di scindere le molecole di acqua – in energia chimica – stoccata nelle molecole di idrogeno prodotte, utilizzando specifici materiali catalitici e fonti di energia rinnovabile, quali la corrente elettrica prodotta da un pannello solare.
“Nel nostro studio abbiamo dimostrato come, a scapito di una spesa iniziale leggermente maggiore nella costruzione di un elettrolizzatore, poiché usiamo un metallo prezioso quale il rutenio, è possibile massimizzare l’efficienza di una tecnologia robusta e ben sviluppata.” commentano Yong Zuo e Michele Ferri del gruppo di Nanochimica all’IIT di Genova. I ricercatori hanno utilizzato nanoparticelle di rutenio, un metallo raro, simile al platino come comportamento chimico ma molto più economico, all’interno del catodo dell’elettrolizzatore, dimostrando un’aumentata efficienza del dispositivo.
“Abbiamo realizzato analisi elettrochimiche, simulazioni teoriche e test sotto condizioni industrialmente rilevanti che ci hanno permesso di determinare l’attività catalitica dei nostri materiali e comprenderne il funzionamento a livello molecolare, ovvero il meccanismo della reazione di scissione dell’acqua sulla loro superficie”, spiegano Sebastiano Bellani e Marilena Zappia di BeDimensional coinvolti nelle ricerche. “Grazie ai dati raccolti, un’analisi tecno-economica ha inoltre dimostrato la competitività di questa tecnologia sia con i metodi di produzione di idrogeno (basati su fonti fossili) che con gli attuali elettrolizzatori”.
ll rutenio è un metallo prezioso che si ottiene in piccole quantità come sottoprodotto dell’estrazione del platino (30 tonnellate annuali contro le 200 tonnellate annuali di platino) ma ad un minor costo (18.5 dollari al grammo contro i 30 dollari per il platino, o addirittura 150 dollari per l’iridio). La nuova tecnologia prevede l’uso di solamente 40 milligrammi di rutenio per kilowatt, contro l’uso massiccio di platino (fino ad 1 grammo per kilowatt) e iridio (fra 1 e 2.5 grammi per kilowatt) tipico degli elettrolizzatori a membrana.
Grazie all’uso del rutenio, i ricercatori di IIT e BeDimensional hanno reso possibile il miglioramento degli elettrolizzatori alcalini, una tecnologia in uso da molti anni perché tipicamente robusta e durevole. La stessa tecnologia venne ad esempio usata a bordo della navicella Apollo 11 che ha portato l’uomo sulla Luna nel 1969 – ma con un’efficienza ridotta. Inoltre, gli elettrolizzatori operanti in ambiente acido basano il loro funzionamento su elettrodi contenenti grandi quantità di metalli nobili quali platino ed iridio, la cui disponibilità rappresenta un collo di bottiglia non indifferente alla messa in opera su larga scala. La nuova famiglia di elettrolizzatori alcalini sviluppata è molto efficiente con lunga vita operativa, in grado di abbattere i costi di produzione dell’idrogeno verde.
“In futuro, prevediamo di applicare la nostra tecnologia, e i catalizzatori nanostrutturati basati su materiali bidimensionali sostenibili, in grandi impianti di elettrolizzatori alimentati con energia elettrica proveniente da fonti rinnovabili, tra cui l’energia elettrica prodotta da parchi fotovoltaici”, concludono i ricercatori.
