La capacità delle piante di raccogliere la luce solare e scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno attraverso la fotosintesi ha affascinato a lungo gli scienziati, che hanno cercato di replicare il processo per catturare l'idrogeno come fonte di carburante rinnovabile e sostenibile.

Nonostante la sua promessa, l'uso su larga scala dell'idrogeno è limitato dal costo e dall'efficienza dei suoi processi di estrazione, che richiede un input di energia per invertire la reazione che combina l'ossigeno e l'idrogeno in primo luogo.

Un metodo è l'elettrolisi, dove viene applicata una corrente elettrica all'acqua inserendo due elettrodi e il legame chimico tra gli atomi di idrogeno e di ossigeno viene rotto.

Questo rilascia l'idrogeno come gas che può essere catturato e convertito in energia elettrica in una cella a combustibile, dove gli unici sottoprodotti del suo utilizzo sono il calore e l'acqua.

La sfida per gli scienziati è trovare un catalizzatore per guidare l'elettrolisi che richiede meno energia di quella ottenuta dall'idrogeno risultante.

A complicare le cose è che i materiali utilizzati nell'elettrolisi iniziano a corrodersi quando viene applicata una corrente, che richiedono l'uso di metalli nobili, come il platino, oro o argento.

Questi sono metalli costosi e rari che vengono generalmente utilizzati in elettronica, medicina e come catalizzatori per reazioni chimiche.

Sfide catalitiche

Dott. Yi Du, un ricercatore senior presso l'Istituto per i materiali superconduttori e elettronici (ISEM) dell'Università di Wollongong, ha affermato che la sfida più grande nella scissione dell'acqua su scala industriale è trovare un'elevata efficienza, elettrocatalizzatori a basso costo e abbondanti in terra, che può abbassare la tensione necessaria per scindere l'acqua in idrogeno.

"L'acqua è una fonte pulita a cui si può accedere in modo sostenibile, che lo rende un sostituto attraente e promettente per il gas di petrolio liquefatto se possiamo ridurre l'energia richiesta per dividere l'acqua, " ha detto il dottor Du.

"Parlando in generale, ci sono pochi elettrocatalizzatori per rendere la produzione di idrogeno abbastanza conveniente per l'uso su scala commerciale".

Il team del Dr. Du all'ISEM, in collaborazione con ricercatori della Beihang University in Cina, hanno fabbricato un elettrocatalizzatore ad alte prestazioni utilizzando un metallo a basso costo che si sta dimostrando adatto per l'uso nella scissione dell'acqua.

Gli ossidi di titanio sono una materia prima abbondante che si trova comunemente come polvere bianca nei minerali, sabbie e terreni, e spesso usati come pigmenti in prodotti come creme solari, cosmetici, vernici e adesivi, tra gli altri usi.

Mentre il titanio ha un'eccellente resistenza alla corrosione e conduttività elettrica, nel suo ossido è un isolante, e i ricercatori lo hanno a lungo ritenuto inadatto all'uso come elettrocatalizzatore.

Il team del Dr. Du è stato in grado di prendere un singolo cristallo di ossido di titanio e in una camera a vuoto, rimuovere tutti gli atomi di ossigeno dalla superficie, lasciando un conduttore, materiale catalizzatore durevole ed efficiente, economico e facile da produrre

"Rispetto a un catalizzatore tradizionale, l'ossido di titanio conduttivo richiede pochissimo input di energia per guidare il processo di scissione dell'acqua di elettrolisi, " ha detto il dottor Du.

"Introducendo un gran numero di vuoti di ossigeno nella superficie del materiale, possiamo ottimizzare le sue proprietà fisiche e chimiche per essere attivi per la scissione dell'acqua.

"Abbiamo dimostrato che una serie di terremoti abbondanti, i materiali a basso costo e chimicamente stabili a base di titanio sono promettenti elettrocatalizzatori nella scissione dell'acqua, che può ridurre notevolmente il costo di questa tecnica e accelerare l'uso su larga scala".

Potenziale energetico a zero emissioni

Se l'energia elettrica per alimentare la reazione proviene anche da generazione rinnovabile, il processo ha il potenziale per essere vicino alla neutralità energetica.

"Ci sono parecchie applicazioni per l'utilizzo di questo carburante, forse l'applicazione più promettente è la scissione dell'acqua su larga scala per le fabbriche di energia che hanno elevate esigenze energetiche, " ha detto il dottor Du.

L'idrogeno può essere convertito in energia elettrica attraverso celle a combustibile che possono funzionare continuamente in presenza di idrogeno e ossigeno.

"L'uso di celle solari per raccogliere energia per alimentare il processo è anche un modo promettente di produrre idrogeno in modo sostenibile con emissioni zero per l'uso nei trasporti tramite veicoli a celle a combustibile a idrogeno".

Mentre afferrare il tubo da giardino per alimentare l'auto potrebbe sembrare fantascienza, Il Dr. Du ha affermato che le sfide fondamentali dal punto di vista della produzione dell'equazione dell'idrogeno erano il costo e l'efficienza.

"La sfida più grande è ancora il costo del catalizzatore. Ecco perché abbiamo bisogno di un catalizzatore efficiente ed economico, che può convertire efficacemente l'acqua in idrogeno."

Il lavoro è stato pubblicato di recente sulla rivista Catalisi ACS e si basa sulla collaborazione con l'Università di Beihang tramite il Centro comune di ricerca Beihang-UOW.