È facile essere ottimisti riguardo all’idrogeno come combustibile ideale. È molto più difficile trovare una soluzione a un problema assolutamente fondamentale:come immagazzinare questo carburante in modo efficiente? Un team svizzero-polacco di fisici sperimentali e teorici ha trovato la risposta alla domanda sul perché i precedenti tentativi di utilizzare il promettente idruro di magnesio per questo scopo si sono rivelati insoddisfacenti e perché potrebbero avere successo in futuro.
L’idrogeno è da tempo considerato il vettore energetico del futuro. Tuttavia, prima che diventi una realtà nel settore energetico, è necessario sviluppare metodi efficienti per immagazzinarlo. I materiali, selezionati in modo tale che, a basso costo energetico, l'idrogeno possa essere prima iniettato al loro interno e poi recuperato su richiesta, preferibilmente in condizioni simili a quelle tipiche del nostro ambiente quotidiano, sembrano essere la soluzione ottimale.
Un candidato promettente per lo stoccaggio dell’idrogeno sembra essere il magnesio. La sua conversione in idruro di magnesio, tuttavia, richiede un catalizzatore adeguatamente efficiente, che non è stato ancora trovato.
Il lavoro di un team di scienziati dell'Empa, dei Laboratori federali svizzeri per la scienza e la tecnologia dei materiali di Dübendorf, del Dipartimento di chimica dell'Università di Zurigo e dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) a Cracovia, ha dimostrato che la ragione dei molti anni di insuccesso fino a questo punto risiede in una comprensione incompleta dei fenomeni che si verificano nel magnesio durante l'iniezione di idrogeno.
L’ostacolo principale all’assorbimento dell’idrogeno come fonte di energia è la difficoltà di immagazzinarlo. Nelle ancora rare auto alimentate a idrogeno, viene immagazzinato compresso a una pressione di circa 700 atmosfere. Questo non è né il metodo più economico né quello più sicuro e ha poco a che fare con l’efficienza:in un metro cubo ci sono solo 45 kg di idrogeno. Lo stesso volume può contenere 70 kg di idrogeno, se preventivamente condensato.
Sfortunatamente, il processo di liquefazione richiede grandi quantità di energia e la temperatura estremamente bassa, intorno ai 20 Kelvin, deve essere mantenuta durante tutto lo stoccaggio. Un'alternativa potrebbe essere costituita da materiali idonei; ad esempio l'idruro di magnesio, che può contenere fino a 106 kg di idrogeno in un metro cubo.
L'idruro di magnesio è tra i materiali più semplici testati per la capacità di stoccaggio dell'idrogeno. Il suo contenuto può raggiungere il 7,6% (in peso). I dispositivi all'idruro di magnesio sono quindi piuttosto pesanti e quindi adatti principalmente per applicazioni stazionarie. Tuttavia, è importante notare che l’idruro di magnesio è una sostanza molto sicura e può essere conservata senza rischi; ad esempio, in un seminterrato, e il magnesio stesso è un metallo facilmente disponibile ed economico.
"La ricerca sull'incorporazione dell'idrogeno nel magnesio va avanti da decenni, ma non ha ancora prodotto soluzioni che possano contare su un uso più ampio", afferma il Prof. Zbigniew Lodziana (IFJ PAN), un fisico teorico coautore di uno studio articolo in Advanced Science, dove viene presentata l'ultima scoperta.
"Una fonte di problemi è l'idrogeno stesso. Questo elemento può penetrare efficacemente nella struttura cristallina del magnesio, ma solo quando è presente sotto forma di singoli atomi. Per ottenerlo dal tipico idrogeno molecolare, è necessario un catalizzatore sufficientemente efficiente da rendere il processo di è necessaria una migrazione dell'idrogeno nel materiale rapida ed energeticamente fattibile. Quindi tutti hanno cercato un catalizzatore che soddisfacesse le condizioni di cui sopra, purtroppo senza molto successo. Oggi sappiamo finalmente perché questi tentativi erano destinati al fallimento."
Il Prof. Lodziana ha sviluppato un nuovo modello dei processi termodinamici ed elettronici che avvengono nel magnesio a contatto con gli atomi di idrogeno. Il modello prevede che durante la migrazione degli atomi di idrogeno, nel materiale si formino cluster locali di idruro di magnesio termodinamicamente stabili. Ai confini tra il magnesio metallico e il suo idruro si verificano poi cambiamenti nella struttura elettronica del materiale, che hanno un ruolo significativo nel ridurre la mobilità degli ioni idrogeno.
In altre parole, la cinetica della formazione dell'idruro di magnesio è determinata principalmente dai fenomeni alla sua interfaccia con il magnesio. Finora questo effetto non era stato preso in considerazione nella ricerca di catalizzatori efficienti.
Il lavoro teorico del Prof. Lodziana integra gli esperimenti eseguiti nel laboratorio svizzero di Dübendorf. Qui, in una camera ad altissimo vuoto, è stata studiata la migrazione dell’idrogeno atomico in uno strato di magnesio puro spruzzato su palladio. L'apparato di misurazione è stato in grado di registrare i cambiamenti nello stato di diversi strati atomici esterni del campione in studio, causati dalla formazione di un nuovo composto chimico e dalle trasformazioni associate della struttura elettronica del materiale. Il modello proposto dai ricercatori dell'IFJ PAN ci permette di comprendere appieno i risultati sperimentali.
I risultati del gruppo di fisici svizzero-polacco non solo aprono la strada a una nuova ricerca di un catalizzatore ottimale per l'idruro di magnesio, ma spiegano anche perché alcuni dei catalizzatori precedentemente trovati hanno mostrato un'efficienza maggiore del previsto.
"Molti elementi suggeriscono che la mancanza di progressi significativi nello stoccaggio dell'idrogeno nel magnesio e nei suoi composti fosse semplicemente dovuta alla nostra comprensione incompleta dei processi coinvolti nel trasporto dell'idrogeno in questi materiali. Per decenni, abbiamo tutti cercato catalizzatori migliori, solo non dove dovremmo guardare. Ora, nuovi risultati teorici e sperimentali permettono di riconsiderare con ottimismo ulteriori miglioramenti nei metodi di introduzione dell'idrogeno nel magnesio," conclude il Prof. Lodziana.
Ulteriori informazioni: Selim Kazaz et al, Perché i catalizzatori di dissociazione dell'idrogeno non funzionano per l'idrogenazione del magnesio, Scienza avanzata (2023). DOI:10.1002/advs.202304603
Informazioni sul giornale: Scienza avanzata
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