Idrogeno, l'elemento più abbondante nell'universo, dà un pugno potente. E poiché non contiene carbonio, produce solo acqua quando viene utilizzato come combustibile. Ma sulla Terra, l'idrogeno esiste più spesso in combinazione con altri elementi, il che significa che deve essere estratto.

Per sfruttare l'energia pulita dell'idrogeno per applicazioni energetiche e altri usi, i ricercatori stanno cercando modi convenienti per produrre e immagazzinare idrogeno.

Una nuova ricerca del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) mostra che un abbinamento di minerali umili eclissa altri materiali di metalli preziosi quando si tratta di produrre idrogeno. Con i collaboratori dell'Oregon State University (OSU), i ricercatori hanno testato un catalizzatore di fosfuro di molibdeno (MoP) con acque reflue in un piccolo reattore chiamato cella di elettrolisi microbica (MEC). I risultati dei test hanno mostrato che il MoP ha funzionato meglio del platino, un metallo prezioso e costoso tipicamente utilizzato per le sue elevate prestazioni catalitiche. Il catalizzatore MoP ha anche prodotto idrogeno cinque volte più velocemente di altri catalizzatori non al platino riportati in studi correlati.

Ma il vero kicker? Il loro catalizzatore ha funzionato bene anche con l'acqua di mare.

"Se puoi produrre idrogeno dall'acqua di mare, il pool di risorse è praticamente illimitato, " disse Yuyan Shao, uno scienziato dei materiali al PNNL che ha guidato la ricerca sui catalizzatori.

come l'acqua di mare, il materiale del catalizzatore MoP è ampiamente disponibile, e quindi, a buon mercato. Il catalizzatore funzionava anche con le acque reflue, un'altra risorsa onnipresente.

I dettagli dello studio del team appaiono sulla rivista Catalisi ACS . I risultati derivano da un progetto triennale finanziato dall'Ufficio per le tecnologie delle celle a combustibile del Dipartimento dell'energia.

Un'alternativa migliore

Uno dei metodi più comuni per produrre idrogeno è un processo chiamato elettrolisi. Questo processo combina l'elettricità con vari prodotti chimici, chiamati elettroliti, e un materiale catalizzatore solido. La reazione che ne segue produce idrogeno, ma l'intero processo utilizza molta energia e risorse costose come il platino.

La fermentazione che utilizza fonti rinnovabili o flussi di rifiuti promette una produzione di idrogeno a prezzi accessibili. Ma il processo di fermentazione funziona lentamente, i rendimenti sono bassi, e il flusso di prodotto richiede una pulizia costosa a causa di altri sottoprodotti della fermentazione. Nei MEC, una corrente elettrica è accoppiata con i batteri per decomporre le sostanze organiche e produrre idrogeno. Sfortunatamente, le celle utilizzano anche il costoso platino per la superficie di reazione, e se si utilizzano catalizzatori diversi dal platino, le rese di idrogeno rimangono basse.

All'OSU, i ricercatori hanno sviluppato un design MEC ibrido in cui la fermentazione e l'elettrolisi avvengono in un unico vaso anziché in fasi separate, e i sottoprodotti vengono consumati direttamente nel processo. Questo design integrato aumenta la produttività e riduce i costi delle apparecchiature. Ma con l'alto costo del platino, il team aveva bisogno di un catalizzatore che potesse abbassare i costi di produzione a circa due dollari per chilogrammo di idrogeno.

Sorpresa della seconda fase

Basandosi sulle scoperte precedenti con il catalizzatore MoP, I ricercatori del PNNL hanno studiato il catalizzatore per l'uso nei MEC. Il team di ricerca ha iniziato con la combinazione MoP a causa della sua affinità per l'attivazione, o separando, molecole d'acqua. Anche il catalizzatore è regolabile:la quantità di ciascun minerale può essere regolata. Secondo l'ipotesi del team, questa messa a punto ottimizzerebbe la quantità di idrogeno prodotta in una singola reazione.

Avevano in parte ragione.

Sotto un potente microscopio, hanno scoperto che il catalizzatore si è assemblato in una miscela di due fasi cristalline distinte:MoP e MoP ₂ . La struttura atomica per ogni fase era diversa, portando a reazioni diverse. Mentre MoP2 rilasciava atomi di idrogeno dalle molecole d'acqua, MoP ha convertito gli atomi di idrogeno in molecole di gas idrogeno. I due siti attivi hanno potenziato la reazione complessiva.

"Non ci aspettavamo la formazione simultanea delle due fasi cristalline, "ha detto Shao. "Le due fasi funzionano molto meglio della singola fase."

I ricercatori hanno condotto i loro esperimenti in condizioni di pH neutro sia nella cella ibrida dell'OSU utilizzando acque reflue che in un altro reattore del PNNL utilizzando acqua di mare, con risultati coerenti. Shao ha detto che questi risultati danno ai ricercatori la certezza che il metodo è valido, elimina il platino e altri sottoprodotti, e rappresenta una grande promessa per il progresso delle tecnologie dell'idrogeno e delle celle a combustibile.