Nella narrativa odierna del cambiamento climatico, inquinamento, e risorse in diminuzione, un combustibile potrebbe essere un punto di svolta nel settore energetico:l'idrogeno. Quando viene bruciato in un motore a combustione o in una centrale elettrica, Il combustibile a idrogeno produce solo acqua, rendendolo molto più pulito dei nostri attuali combustibili fossili. Senza produzione di gas tossici, nessun contributo al cambiamento climatico, e niente smog, l'idrogeno può essere la risposta a un futuro di energia più pulita, allora perché non è più ampiamente utilizzato?

Ci sono due ragioni per questo. Primo, l'idrogeno è altamente infiammabile e fuoriesce molto facilmente dai serbatoi di stoccaggio, causando potenziali rischi di esplosione durante lo stoccaggio e il trasporto. Secondo, sebbene l'idrogeno puro si trovi naturalmente sulla Terra, non si trova in quantità sufficienti per un utilizzo conveniente. Gli atomi di idrogeno devono essere estratti da molecole come il metano o l'acqua, che richiede una grande quantità di energia. Sebbene esistano diverse tecniche per produrre combustibile a idrogeno, gli scienziati devono ancora rendere questo processo abbastanza "efficiente" da rendere l'idrogeno un combustibile commercialmente competitivo sul mercato dell'energia. Fino a quando questo non sarà raggiunto, i combustibili fossili continueranno probabilmente a dominare il settore.

Per decenni, gli scienziati hanno lavorato per un a buon mercato, efficiente, e un modo sicuro per produrre combustibile a idrogeno. Uno dei metodi più promettenti per raggiungere questo obiettivo è attraverso processi azionati dall'energia solare, usando la luce per accelerare (o "catalizzare") la reazione per dividere le molecole d'acqua in ossigeno e idrogeno. Negli anni '70, due scienziati hanno descritto l'effetto Honda-Fujishima, che utilizza il biossido di titanio come fotocatalizzatore nella produzione di idrogeno. Basandosi su questa ricerca, un team di ricercatori giapponesi guidati dal Prof Ken-ichi Katsumata della Tokyo University of Science, cercato di utilizzare un più economico, catalizzatore semiconduttore più facilmente disponibile per questa reazione, con la speranza di aumentarne ulteriormente l'efficienza, riducendo i costi di produzione e la sicurezza del combustibile a idrogeno. Il loro studio pubblicato in Chimica:una rivista europea indica che, utilizzando una forma di ruggine chiamata α-FeOOH, la produzione di idrogeno sotto l'irradiazione della lampada Hg-Xe può essere 25 volte superiore a quella del catalizzatore di biossido di titanio sotto la stessa luce.

L'esperimento condotto dal prof Katsumata e colleghi mirava ad affrontare le sfide comuni incontrate nell'utilizzo di catalizzatori semiconduttori nella produzione di idrogeno azionata dal sole. Ci sono tre principali ostacoli descritti dagli autori. Il primo è la necessità che il materiale catalizzatore sia adatto all'uso dell'energia luminosa. La seconda è che la maggior parte dei fotocatalizzatori attualmente utilizzati richiedono metalli rari o "nobili" come cocatalizzatori, che sono costosi e difficili da ottenere. L'ultimo problema nasce dall'effettiva produzione di gas idrogeno e ossigeno. Se non separati subito, la miscela di questi due gas può ridurre al massimo la produzione di idrogeno, e nel peggiore dei casi, provocare un'esplosione. Perciò, miravano a trovare una soluzione che non solo potesse aumentare l'efficienza della reazione, ma anche impedire con successo all'idrogeno e all'ossigeno di riaccoppiarsi e creare un potenziale pericolo.

Il team ha identificato un promettente catalizzatore candidato in α-FeOOH (o ruggine) e ha avviato un esperimento per valutarne l'efficienza per la produzione di idrogeno e le condizioni sperimentali ottimali per la sua attivazione. "Siamo rimasti davvero sorpresi dalla generazione di idrogeno utilizzando questo catalizzatore, " afferma il prof Katsumata, "perché non è noto che la maggior parte degli ossidi di ferro si riduca ad idrogeno. Successivamente, abbiamo cercato la condizione per l'attivazione di α-FeOOH e abbiamo scoperto che l'ossigeno era un fattore indispensabile, che è stata la seconda sorpresa perché molti studi hanno dimostrato che l'ossigeno sopprime la produzione di idrogeno catturando gli elettroni eccitati." Il team ha confermato il meccanismo di produzione dell'idrogeno da una soluzione di acqua-metanolo utilizzando un metodo di "gas-cromatografia-spettrometria di massa", mostrando che α-FeOOH era 25 volte più attivo del catalizzatore di biossido di titanio utilizzato nella ricerca precedente, sostenere la produzione stabile di idrogeno per più di 400 ore!

Saranno necessarie ulteriori ricerche per ottimizzare questo processo. Il prof Katsumata elabora:"La funzione specifica dell'ossigeno nell'attivazione dell'α-FeOOH indotto dalla luce non è stata ancora svelata. Pertanto, esplorare il meccanismo è la prossima sfida." Per ora, queste scoperte di Katsumata e dei suoi colleghi rappresentano nuovi progressi nella produzione di un pulito, fonte di energia a zero emissioni che sarà centrale per le società sostenibili del futuro!