Sono necessarie tecnologie di stoccaggio efficienti se l'energia solare ed eolica deve contribuire a soddisfare l'aumento della domanda di energia. Un approccio importante è lo stoccaggio sotto forma di idrogeno estratto dall'acqua utilizzando l'energia solare o eolica. Questo processo avviene in un cosiddetto elettrolizzatore. Grazie a un nuovo materiale messo a punto dai ricercatori del Paul Scherrer Institute PSI e dell'Empa, è probabile che questi dispositivi diventino più economici ed efficienti in futuro. Il materiale in questione funge da catalizzatore accelerando la scissione delle molecole d'acqua:il primo passo nella produzione di idrogeno. I ricercatori hanno anche dimostrato che questo nuovo materiale può essere prodotto in modo affidabile in grandi quantità e hanno dimostrato la sua capacità di prestazioni all'interno di una cella di elettrolisi tecnica, il componente principale di un elettrolizzatore. I risultati della loro ricerca sono stati pubblicati nell'attuale edizione della rivista scientifica Materiali della natura .

Poiché l'energia solare ed eolica non è sempre disponibile, contribuirà in modo significativo a soddisfare il fabbisogno energetico solo una volta sviluppato un metodo di stoccaggio affidabile. Un approccio promettente a questo problema è lo stoccaggio sotto forma di idrogeno. Questo processo richiede un elettrolizzatore, che utilizza l'elettricità generata dall'energia solare o eolica per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno. L'idrogeno funge da vettore energetico. Può essere immagazzinato in serbatoi e successivamente trasformato di nuovo in energia elettrica con l'aiuto di celle a combustibile. Questo processo può essere eseguito localmente, in luoghi in cui è necessaria energia come residenze domestiche o veicoli a celle a combustibile, consentire la mobilità senza l'emissione di CO2.

Economico ed efficiente

I ricercatori del Paul Scherrer Institute PSI hanno ora sviluppato un nuovo materiale che funge da catalizzatore all'interno di un elettrolizzatore e quindi accelera la scissione delle molecole d'acqua:il primo passo nella produzione di idrogeno. "Attualmente esistono sul mercato due tipi di elettrolizzatori:uno è efficiente ma costoso perché i suoi catalizzatori contengono metalli nobili come l'iridio. Gli altri sono più economici ma meno efficienti", spiega Emiliana Fabbri, ricercatore presso l'Istituto Paul Scherrer. "Volevamo sviluppare un catalizzatore efficiente ma meno costoso che funzionasse senza utilizzare metalli nobili".

Esplorando questa procedura, i ricercatori hanno potuto utilizzare un materiale che era già stato sviluppato:un intricato composto degli elementi bario, stronzio, cobalto, ferro e ossigeno – una cosiddetta perovskite. Ma sono stati i primi a sviluppare una tecnica che ne consente la produzione sotto forma di minuscole nanoparticelle. Questa è la forma richiesta per funzionare in modo efficiente poiché un catalizzatore richiede un'ampia superficie su cui molti centri reattivi sono in grado di accelerare la reazione elettrochimica. Una volta che le singole particelle di catalizzatore sono state ridotte al minimo possibile, le loro rispettive superfici si combinano per creare una superficie complessiva molto più ampia.

I ricercatori hanno utilizzato un cosiddetto dispositivo a spruzzo di fiamma per produrre questa nanopolvere:un dispositivo gestito da Empa che invia le parti costituenti del materiale attraverso una fiamma dove si fondono e si solidificano rapidamente in piccole particelle una volta che lasciano la fiamma. "Dovevamo trovare un modo di far funzionare il dispositivo che garantisse in modo affidabile la solidificazione degli atomi dei vari elementi nella giusta struttura, " sottolinea Fabbri. "Abbiamo anche potuto variare il contenuto di ossigeno ove necessario, consentendo la produzione di diverse varianti di materiale."

Test sul campo di successo

I ricercatori sono stati in grado di dimostrare che queste procedure funzionano non solo in laboratorio ma anche nella pratica. Il metodo di produzione fornisce grandi quantità di polvere di catalizzatore e può essere prontamente disponibile per l'uso industriale. "Eravamo ansiosi di testare il catalizzatore in condizioni di campo. Naturalmente, disponiamo di strutture di prova al PSI in grado di esaminare il materiale, ma il suo valore dipende in ultima analisi dalla sua idoneità per le celle di elettrolisi industriali utilizzate negli elettrolizzatori commerciali, " afferma Fabbri. I ricercatori hanno testato il catalizzatore in collaborazione con un produttore di elettrolizzatori negli Stati Uniti e sono stati in grado di dimostrare che il dispositivo funzionava in modo più affidabile con la nuova perovskite prodotta da PSI che con un catalizzatore convenzionale di ossido di iridio.

Esame in millisecondi

I ricercatori sono stati anche in grado di eseguire esperimenti precisi che hanno fornito informazioni accurate su ciò che accade nel nuovo materiale quando è attivo. Ciò ha comportato lo studio del materiale con i raggi X presso la Swiss Light Source SLS di PSI. Questa struttura fornisce ai ricercatori una stazione di misurazione unica in grado di analizzare le condizioni di un materiale in intervalli di tempo successivi di appena 200 millisecondi. "Questo ci consente di monitorare i cambiamenti nel catalizzatore durante la reazione catalitica:possiamo osservare i cambiamenti nelle proprietà elettroniche o nella disposizione degli atomi, " dice Fabbri. In altre strutture, ogni singola misurazione dura circa 15 minuti, fornendo solo un'immagine media nella migliore delle ipotesi." Queste misurazioni hanno anche mostrato come le strutture delle superfici delle particelle cambiano quando sono attive:parti del materiale diventano amorfe, il che significa che gli atomi nelle singole aree non sono più disposti in modo uniforme. Inaspettatamente, questo rende il materiale un catalizzatore migliore.