Combattere l’effetto serra con energie rinnovabili

Produrre idrogeno dall’acqua in modo efficiente e pulito: un team italiano dimostra che è possibile

[15 dicembre 2016]

Lo studio Co-axial heterostructures integrating palladium/titanium dioxide with carbon nanotubes for efficient electrocatalytic hydrogen evolution”, pubblicato su Nature Communications da un team di ricercatori guidati da  Giovanni Valenti del dipartimento di chimica “Giacomo Cimician” dell’niversità di Bologna, che ha visto coinvolte anche le Università di Trieste e 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, potrebbe rappresentare una svolta nell’a produzione e nell’utilizzo dell’idrogeno come combustibile pulti, efficiente e “rinnovabile”.  Un lavoro che 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.

Paolo Fornasiero, del dipartimento di scienze chimiche e farmaceutiche dell’università degli studi di Trieste, che fa parte del team che comprende anche Alessandro Boni, Michele Melchionna,  Matteo Cargnello, Lucia Nasi, Giovanni Bertoni, Raymond J. Gorte, Massimo Marcaccio, Stefania Rapino,  Marcella Bonchio, Maurizio Prato e Francesco Paolucci, spiega che «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”».

Prato e Fornasiero dell’università di Trieste, insieme ai gruppi di Paolucci dell’università di Bologna e della 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.

All’università di Trieste  sottolineano che «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 ricercatori 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».

Prato evidenzia che «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 la realizzazione di un’economia energetica basata sull’idrogeno?

Fornasiero risponde che «A parte importanti aspetti di stoccaggio, distribuzione e sicurezza dell’idrogeno, 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».

Secondo Valenti, «E’ 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.» E  Melchionna, del Consorzio Instm, sottolinea  che «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».

I ricercatori triestini sono convinti che «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».

Prato, un’autorità mondiale nel campo dei materiali nanostrutturati a base di carbonio spiega ancora: «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». Melchionna, che ha curato la sintesi dei nuovi catalizzatori, aggiunge: «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».

Paolucci, conclude: «Abbiamo stabilito un nuovo stato dell’arte nella ricerca per la produzione di idrogeno attraverso processi di elettrolisi 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»