I ricercatori di IIT e BeDimensional hanno utilizzato nanoparticelle di rutenio, un metallo nobile simile al platino nel suo comportamento chimico ma molto più economico, per fungere da fase attiva del catodo dell’elettrolizzatore, portando a una maggiore efficienza dell’elettrolizzatore complessivo. Credito: IIT-Istituto Italiano di Tecnologia
Uno sforzo di ricerca collaborativo tra IIT e il suo spin-off BeDimensional ha scoperto un metodo che utilizza particelle di rutenio in combinazione con un sistema di elettrolisi a energia solare.
Cosa serve per produrre idrogeno verde in modo più efficiente ed economico? A quanto pare, piccole particelle di rutenio e un sistema ad energia solare per l’elettrolisi dell’acqua. Questa è la soluzione individuata da un team congiunto che coinvolge l’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) di Genova e BeDimensional SpA (uno spin-off dell’IIT).
La tecnologia, sviluppata nel contesto delle attività del Joint-lab e recentemente pubblicata su due riviste ad alto impatto (Comunicazioni sulla natura e il Giornale dell’American Chemical Society) si basa su una nuova famiglia di elettrocatalizzatori che potrebbero ridurre i costi della produzione di 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. Infatti, il modo principale in cui oggi viene prodotto l’idrogeno è attraverso lo steam reforming del metano, un processo basato sui combustibili fossili che rilascia anidride carbonica (CO2) come sottoprodotto.
L’idrogeno prodotto da questo processo è classificato come “grigio” (quando la CO2 viene rilasciata nell’atmosfera) o “blu” (quando la CO2 subisce la cattura e lo 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.
Innovazioni tecnologiche nella produzione di idrogeno
I ricercatori del team congiunto di questa scoperta 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 concetto di catalizzatore e ha utilizzato fonti di energia rinnovabile, come l’energia elettrica prodotta da un pannello solare.
La nuova soluzione è stata identificata da un team congiunto che coinvolge l’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) di Genova e BeDimensional SpA (uno spin-off dell’IIT). Nella foto: Liberato Manna (IIT), Francesco Bonaccorso (BeDimensional), Yong Zuo (IIT), Sebastiano Bellani (BeDimensional), Marilena Zappia (BeDimensional), Michele Ferri (IIT). Crediti: IIT-Istituto Italiano di Tecnologia
“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. Questo perché utilizziamo un metallo prezioso come il rutenio”, hanno commentato Yong Zuo e Michele Ferri del Gruppo Nanochimica dell’IIT di Genova.
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 da fase attiva del catodo dell’elettrolizzatore, portando ad una maggiore efficienza dell’elettrolizzatore complessivo.
“Abbiamo eseguito analisi e test elettrochimici in condizioni industrialmente significative che ci hanno permesso di valutare l’attività catalitica dei nostri materiali. 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”, hanno spiegato Sebastiano Bellani e Marilena Zappia di BeDimensional, coinvolti nella scoperta. “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”.
Rapporto costo-efficacia della nuova tecnologia
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 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 robustezza e durata. Questa tecnologia era, ad esempio, a bordo della capsula Apollo 11 che portò l’umanità sulla Luna nel 1969. La nuova famiglia di catodi a base di rutenio per elettrolizzatori alcalini che è stata sviluppata è molto efficiente e ha una lunga vita operativa, essendo quindi in grado di di ridurre i costi di produzione dell’idrogeno verde.
“In futuro, prevediamo di applicare questa e altre tecnologie, come i catalizzatori nanostrutturati basati su materiali bidimensionali sostenibili, in elettrolizzatori di grandi dimensioni alimentati da energia elettrica da fonti rinnovabili, compresa l’elettricità prodotta da pannelli fotovoltaici”, hanno concluso i ricercatori. .
Riferimento: “Ru–Cu Nanoheterostructures for Efficient Hydrogen Evolution Reaction in Alkaline Water Electrolyzers” di Yong Zuo, Sebastiano Bellani, Gabriele Saleh, Michele Ferri, Dipak V. Shinde, Marilena Isabella Zappia, Joka Buha, Rosaria Brescia, Mirko Prato, Roberta Pascazio , Abinaya Annamalai, Danilo Oliveira de Souza, Luca De Trizio, Ivan Infante, Francesco Bonaccorso e Liberato Manna, 25 settembre 2023, Giornale dell’American Chemical Society.
DOI: 10.1021/jacs.3c06726
“Elettrolizzatori ad acqua alcalina ad alte prestazioni basati su catodo di nanopiastrine di Cu Ru-perturbato” di Yong Zuo, Sebastiano Bellani, Michele Ferri, Gabriele Saleh, Dipak V. Shinde, Marilena Isabella Zappia, Rosaria Brescia, Mirko Prato, Luca De Trizio, Ivan Infante , Francesco Bonaccorso e Liberato Manna, 4 agosto 2023, Comunicazioni sulla natura.
DOI: 10.1038/s41467-023-40319-5
