Il modo in cui un composto ispirato dalla natura produce idrogeno è stato ora descritto in dettaglio per la prima volta da un gruppo di ricerca internazionale dell'Università di Jena, Germania e Università degli Studi di Milano-Bicocca, Italia. Questi risultati sono la base per la produzione di idrogeno efficiente dal punto di vista energetico come fonte di energia sostenibile.

La natura come modello

Esistono microrganismi naturali che producono idrogeno, utilizzando enzimi speciali chiamati idrogenasi. "La particolarità delle idrogenasi è che generano idrogeno cataliticamente. A differenza dell'elettrolisi, che di solito viene effettuata industrialmente utilizzando un costoso catalizzatore al platino, i microrganismi utilizzano composti organometallici del ferro, " spiega il prof. Wolfgang Weigand dell'Istituto di chimica inorganica e analitica dell'Università di Jena in Germania. "Come fonte di energia, l'idrogeno è naturalmente di grande interesse. Ecco perché vogliamo capire esattamente come avviene questo processo catalitico, " Aggiunge.

Nel passato, numerosi composti sono già stati prodotti in tutto il mondo che sono modellati chimicamente sulle idrogenasi naturali. In collaborazione con l'Università degli Studi di Milano, Weigand e il suo team a Jena hanno ora prodotto un composto che ha fornito informazioni completamente nuove sul processo di catalisi.

"Come in natura, il nostro modello si basa su una molecola che contiene due atomi di ferro. Rispetto alla forma naturale, però, abbiamo cambiato l'ambiente chimico del ferro in un modo specifico. Per essere precisi, un'ammina è stata sostituita da un ossido di fosfina con proprietà chimiche simili. Abbiamo quindi messo in gioco l'elemento fosforo".

Informazioni dettagliate sulla produzione di idrogeno elettrocatalitico

Ciò ha permesso a Weigand e al suo team di comprendere meglio il processo di formazione dell'idrogeno. L'acqua è composta da protoni con carica positiva e ioni idrossido con carica negativa.

"Il nostro obiettivo era capire come questi protoni formano l'idrogeno. Tuttavia, il donatore di protoni nei nostri esperimenti non era acqua, ma un acido, " Weigand dice. "Abbiamo osservato che il protone dell'acido viene trasferito all'ossido di fosfina del nostro composto seguito da un rilascio di protoni a uno degli atomi di ferro. Un processo simile si troverebbe anche nella variante naturale della molecola, " aggiunge. Per bilanciare la carica positiva del protone e alla fine produrre idrogeno, gli elettroni caricati negativamente sono stati introdotti sotto forma di corrente elettrica. Con l'aiuto della voltammetria ciclica e del software di simulazione sviluppato presso l'Università di Jena, sono stati esaminati i singoli passaggi in cui questi protoni sono stati infine ridotti a idrogeno libero.

"Durante l'esperimento, potremmo effettivamente vedere come il gas idrogeno si è alzato dalla soluzione in piccole bolle, " nota Weigand. "I dati di misura sperimentali della voltammetria ciclica e i risultati della simulazione sono stati poi utilizzati dal gruppo di ricerca di Milano per calcoli di chimica quantistica, " aggiunge Weigand. "Questo ci ha permesso di proporre un meccanismo plausibile per come l'intera reazione procede chimicamente per produrre l'idrogeno, e questo per ogni singolo passaggio della reazione. Questo non è mai stato fatto prima con questo livello di accuratezza." Il gruppo ha pubblicato i risultati e il percorso di reazione proposto nella rinomata rivista " Catalisi ACS ".

L'obiettivo:l'idrogeno attraverso l'energia solare

Basandosi su questi risultati, Weigand e il suo team ora vogliono sviluppare nuovi composti che non solo possano produrre idrogeno in modo efficiente dal punto di vista energetico, ma anche utilizzare fonti energetiche sostenibili per farlo.

"L'obiettivo del Centro di ricerca collaborativa Transregio 234 'CataLight', di cui questa ricerca fa parte, è la produzione di idrogeno scindendo l'acqua con l'uso della luce solare, " spiega Weigand. "Con le conoscenze acquisite dalla nostra ricerca, stiamo ora lavorando alla progettazione e allo studio di nuovi catalizzatori basati sulle idrogenasi, che alla fine vengono attivati ​​​​utilizzando l'energia della luce."