L'"economia dell'energia pulita" sembra sempre a pochi passi, ma mai del tutto qui. La maggior parte dell'energia per il trasporto, il riscaldamento, il raffreddamento e la produzione vengono ancora forniti utilizzando input di combustibili fossili. Ma con alcune scoperte scientifiche, idrogeno, l'elemento più abbondante nell'universo, potrebbe essere il vettore energetico di una futura società dell'energia pulita. Facendo un passo avanti verso l'inafferrabile obiettivo, un team di scienziati della Penn State e della Florida State University ha sviluppato un catalizzatore a basso costo e scalabile a livello industriale per produrre idrogeno puro attraverso un processo di scissione dell'acqua a basso consumo energetico.

"L'energia è la questione più importante del nostro tempo, e per l'energia, le celle a combustibile sono di fondamentale importanza. E poi per le celle a combustibile, l'idrogeno è più importante, "dice Yu Lei, un dottorando alla Penn State e primo autore di un nuovo articolo in ACS Nano descrivendo il catalizzatore per la scissione dell'acqua che lei e i suoi colleghi avevano teoricamente previsto e sintetizzato in laboratorio. "Le persone sono alla ricerca di un buon catalizzatore in grado di dividere efficacemente l'acqua in idrogeno e ossigeno. Durante questo processo, non ci saranno prodotti collaterali che non siano rispettosi dell'ambiente."

L'attuale metodo industriale di produzione dell'idrogeno – il steam reforming del metano – determina il rilascio di CO2 nell'atmosfera. Altri metodi utilizzano il calore di scarto, come da centrali nucleari avanzate, o energia solare concentrata, entrambi affrontano sfide tecniche per diventare commercialmente fattibili. Un altro processo industriale utilizza il platino come catalizzatore per guidare il processo di scissione dell'acqua. Sebbene il platino sia un catalizzatore quasi perfetto, è anche costoso. Un catalizzatore più economico potrebbe rendere l'idrogeno un'alternativa ragionevole ai combustibili fossili nei trasporti, e celle a combustibile per applicazioni di accumulo di energia.

"Il bisolfuro di molibdeno (MoS2) è stato previsto come possibile sostituto del platino, perché l'energia libera di Gibbs per l'assorbimento dell'idrogeno è vicina allo zero, "dice Mauricio Terrones, professore di fisica, scienza dei materiali, ingegneria e chimica alla Penn State. Più bassa è l'energia libera di Gibbs, minore è l'energia esterna che deve essere applicata per produrre una reazione chimica.

Però, sperimentalmente, ci sono degli svantaggi nell'usare MoS2 come catalizzatore. Nella sua fase stabile, MoS2 è un semiconduttore, che limita la sua capacità di condurre elettroni. Per aggirare questo problema, il team ha aggiunto ossido di grafene ridotto, una forma di carbonio altamente conduttivo. Quindi, per diminuire ulteriormente l'energia libera, hanno legato il MoS2 con il tungsteno per creare un film sottile con strati alternati di grafene e disolfuro di tungsteno-molibdeno. L'aggiunta di tungsteno riduce della metà la tensione elettrica necessaria per dividere l'acqua, da 200 millivolt con puro MoS2, a 96 millivolt con la lega di tungsteno-molibdeno.

Il processo di scissione dell'acqua utilizza una quantità molto piccola di energia elettrica applicata a un elettrodo immerso nell'acqua. Utilizzando questo piccolo potenziale, i protoni nella soluzione possono essere assorbiti sulla superficie del catalizzatore. Quindi due protoni migreranno insieme per formare una bolla di idrogeno che sale in superficie e rilascia l'idrogeno.

Dal punto di vista teorico, gli orbitali elettronici giocano un ruolo cruciale. Nel caso di puro MoS2, gli orbitali del metallo non si sovrappongono bene con l'orbitale dell'idrogeno nella fase di reazione chiave; però, quando la lega è presente questi orbitali interagiscono bene e rendono la reazione più efficiente. Questo è simile a ciò che fa il platino, e il motivo per cui il platino è così efficiente dal punto di vista energetico in questa reazione chimica. Però, in questo lavoro, i ricercatori hanno dimostrato che è possibile utilizzare elementi più economici e più abbondanti e raggiungere un'efficienza che supera tutti i migliori catalizzatori.

"Ciò che accade in queste leghe è una squisita sovrapposizione di orbitali che rende la reazione più efficiente. Ciò non si osserva nei componenti puri. È un esempio in cui l'ibrido è migliore dei componenti puri, " dice Jose L. Mendoza-Cortes, professore di ingegneria chimica, scienza e ingegneria dei materiali e informatica scientifica presso lo stato della Florida.

Le celle a combustibile a idrogeno possono promuovere un'economia dell'energia pulita non solo nel settore dei trasporti, dove il rifornimento veloce e l'autonomia dei veicoli superano i veicoli alimentati a batteria, ma anche per immagazzinare energia elettrica prodotta da solare ed eolico. Questo lavoro è un altro passo avanti per raggiungere questo obiettivo.