I ricercatori di IIT di Genova e del suo “spin-off” BeDimensional Spa hanno sviluppato un metodo economico ed efficiente per produrre idrogeno “verde” impiegando piccole particelle di rutenio e un sistema ad energia solare per attivare l’elettrolisi dell’acqua.
La tecnologia, sviluppata nell’ambito delle attività del “Joint-lab” e recentemente pubblicata su due riviste internazionali (Nature Communications e Journal of the American Chemical Society), si basa su una nuova famiglia di elettrocatalizzatori che potrebbero ridurre i costi dell’energia, producendo idrogeno “verde” su scala industriale.
L’idrogeno è considerato un vettore energetico sostenibile, un’alternativa ai combustibili fossili. Ma non tutto l’idrogeno è uguale in termini di impatto ambientale. Il modo principale in cui oggi l’idrogeno viene prodotto è attraverso lo “steam reforming” del metano basato sui combustibili fossili che rilascia anidride carbonica (CO2) come sottoprodotto.
L’idrogeno prodotto da questo processo viene classificato come “grigio” (quando la CO2 viene rilasciata nell’atmosfera) o “blu” (quando la CO2 subisce cattura e stoccaggio geologico).
Per ridurre significativamente le emissioni a zero entro il 2050, questi processi devono essere sostituiti con altri più sostenibili dal punto di vista ambientale che forniscano idrogeno “verde” (cioè a zero emissioni nette). Il costo dell’idrogeno “verde” dipende in modo critico dall’efficienza energetica dell’impianto (l’elettrolizzatore) che divide le molecole d’acqua in idrogeno e ossigeno.
I ricercatori del team congiunto Itt e Be Dimensional hanno sviluppato un nuovo metodo che garantisce una maggiore efficienza rispetto ai metodi attualmente conosciuti nella conversione dell’energia elettrica, la polarizzazione energetica sfruttata per scindere le molecole d’acqua, nell’energia chimica immagazzinata nelle molecole di idrogeno che vengono prodotte. Il team ha sviluppato un catalizzatore che utilizza energia rinnovabile per produrre l’idrogeno “verde”, come l’energia elettrica prodotta da un pannello solare.
«Nel nostro studio abbiamo dimostrato come sia possibile massimizzare l’efficienza di una tecnologia solida e ben sviluppata, nonostante un investimento iniziale leggermente superiore a quello che sarebbe necessario per un elettrolizzatore standard – affermano Yong Zuo e Michele Ferri del Gruppo Nanochimica dell’IIT di Genova -. Questo perché utilizziamo un metallo prezioso come il rutenio».
Per poter produrre l’idrogeno “verde”, i ricercatori hanno utilizzato nanoparticelle di rutenio, un metallo nobile simile al platino nel comportamento chimico, ma molto più economico. Le nanoparticelle di rutenio fungono attivatore del catodo dell’elettrolizzatore, portando ad una maggiore efficienza complessiva dell’elettrolizzatore.
«Abbiamo eseguito analisi e test elettrochimici in condizioni industrialmente significative che ci hanno permesso di valutare l’attività catalitica dei nostri materiali – evidenziano Sebastiano Bellani e Marilena Zappia di BeDimensional -. Inoltre, le simulazioni teoriche ci hanno permesso di comprendere il comportamento catalitico delle nanoparticelle di rutenio a livello molecolare. In altre parole, il meccanismo di scissione dell’acqua sulla loro superficie”.
“Combinando i dati dei nostri esperimenti con parametri di processo aggiuntivi, abbiamo effettuato un’analisi tecnico-economica che ha dimostrato la competitività di questa tecnologia, rispetto agli elettrolizzatori all’avanguardia”.
Il rutenio è un metallo prezioso che si ottiene in piccole quantità come sottoprodotto dell’estrazione del platino (30 tonnellate all’anno, contro la produzione annua di 200 tonnellate di platino), ma ad un costo inferiore (18,5 dollari al grammo contro 30 dollari per il platino).
La nuova tecnologia che produrrà idrogeno “verde” prevede l’utilizzo di soli 40 mg di rutenio per kilowatt, in netto contrasto con l’uso estensivo di platino (fino a 1 grammo per kilowatt) e iridio (tra 1 e 2,5 grammi per kilowatt, con un prezzo dell’iridio che si aggira intorno ai 150 dollari per grammo) che caratterizzano gli elettrolizzatori a membrana a scambio protonico.
Utilizzando il rutenio, i ricercatori dell’IIT e di BeDimensional hanno migliorato l’efficienza degli elettrolizzatori alcalini, una tecnologia utilizzata da decenni per la sua solidità e durata, già sperimentata a bordo della capsula Apollo 11 che ha portato l’umanità sulla Luna nel 1969.
La nuova famiglia di catodi a base di rutenio per elettrolizzatori alcalini che è stata sviluppata dai ricercatori è molto efficiente e ha una lunga vita operativa, essendo in grado di ridurre i costi di produzione dell’idrogeno “verde”.
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