Trovare fonti sostenibili di energia rinnovabile aiuterà a combattere il cambiamento climatico e offrirà ai consumatori l’accesso a fonti affidabili di carburante.
I ricercatori dell’Unità di ricerca sui sistemi nano e molecolari (Nanomo) dell‘Università di Oulu in Finlandia hanno sviluppato un modo conveniente per trasformare l’acqua in carburante. Il loro nuovo catalizzatore a base di nichel (una sostanza che accelera la velocità di una reazione chimica) utilizza la luce solare per dividere l’acqua in ossigeno e idrogeno, ciò consente di sfruttare l’idrogeno come fonte di energia. I risultati del team sono stati pubblicati nelle riviste Applied Energy e Nanoscale.
Nuovi progressi nell’idrogeno solare: catalizzatore di lunga durata e a basso costo utilizzato per creare idrogeno dall’acqua naturale con la luce solare presso l’Università di Oulu
La scomposizione della molecola d’acqua H20 in idrogeno e ossigeno utilizzando solo la luce solare è una fonte di energia rinnovabile e pulita e rappresenta una chiave per risolvere i problemi energetici del mondo. I processi fotocatalitici sono stati studiati e ricercati per decenni in tutto il mondo, ma la ricerca di un catalizzatore efficiente e duraturo è stato finora un grosso ostacolo. I catalizzatori sono decaduti rapidamente o hanno coinvolto metalli rari, che presentano una propria serie di problemi. Il nuovo catalizzatore creato presso l’Università di Oulu è a base di molibdenite, che è un minerale economico e presente in natura. La struttura composita è costituita da bisolfuro di molibdeno stratificato e nanoparticelle di nichel e argento, metalli che sono necessari in minime quantità, ciò rende il catalizzatore estremamente conveniente.
Il nuovo catalizzatore realizzato nell’Università di Oulu in condizioni di laboratorio è stato in grado di produrre idrogeno dall’acqua naturale utilizzando la luce solare per 86 giorni consecutivi senza decadimento funzionale. I ricercatori hanno raggiunto un tasso di efficienza del 7% con il catalizzatore quando la soglia per un’efficienza praticabile è considerata del 5%. Oltre a produrre idrogeno, è stato dimostrato che il processo purifica l’acqua naturale utilizzata per produrre idrogeno.
Marko Huttula, capo progetto della nuova ricerca presso l’Università di Oulu, ha affermato:
«La teoria è provata e il catalizzatore che abbiamo sviluppato è facile ed economico da produrre. È anche molto resistente. Sono ancora necessari anni di ricerca prima che la produzione di idrogeno solare possa essere aumentata, ma ora è molto importante che i finanziamenti e le risorse siano destinati a questo lavoro. L’obiettivo è sviluppare la tecnologia dei reattori e creare un ecosistema di soluzioni commerciali e attività commerciali nell’idrogeno solare. La tecnologia è ora in una fase critica di sviluppo, ad esempio, l’utilizzo dell’idrogeno direttamente nel motore di un’auto è una vera energia verde, perché bruciando idrogeno si libera solo acqua».
Sostituzione dell’idrogeno elettrolitico assetato di energia con l’idrogeno solare
Attualmente nel mondo vengono prodotte circa 80 milioni di tonnellate di idrogeno all’anno utilizzando lo “steam reforming”, che utilizza combustibili fossili e rilascia grandi quantità di anidride carbonica. L’obiettivo nella prossima transizione dell’idrogeno, è aumentare notevolmente la produzione di idrogeno utilizzando metodi sia a basse emissioni sia a zero emissioni.
I pannelli solari a idrogeno funzionano in modo simile ai pannelli solari per produrre idrogeno: le celle contengono acqua e il catalizzatore che reagisce alla luce solare. I ricercatori dell’Università di Oulu hanno anche studiato le strutture superficiali delle ali delle farfalle e delle foglie delle piante per sviluppare pannelli che sarebbero in grado di utilizzare la luce solare in modo più efficiente.
Il vantaggio dell’idrogeno solare rispetto all’idrogeno elettrolitico è che richiede solo l’energia del Sole. L’elettricità necessaria nei processi elettrolitici può essere prodotta utilizzando fonti di energia rinnovabile, come il vento, ma i processi elettrolitici hanno un tasso di dissipazione di energia del 40%.
Marko Huttula ha sottolineato:
«Gli attuali obiettivi della produzione elettrolitica di idrogeno nell’Unione Europea entro il 2050 richiedono 2800 terawattora di elettricità. Ciò si traduce nella costruzione di 250.000 – 460.000 nuove turbine eoliche, il che è poco realistico. Il passaggio all’idrogeno è assolutamente necessario e ogni nuova turbina eolica è più che benvenuta sotto questo aspetto. Tuttavia, dobbiamo guardare al quadro generale da un punto di vista più elevato, significa che l’idrogeno solare è uno dei modi più promettenti per risolvere il fabbisogno energetico mondiale».
Il ricercatore Harishchandra Singh della Facoltà di Scienze dell’Unità di Ricerca sui Sistemi Nano e Molecolari dell’Università di Oulu ha affermato:
«La scissione dell’acqua solare converte direttamente l’energia solare in combustibile a idrogeno, poiché viene utilizzata una fonte rinnovabile non di carbonio come il solare, l’idrogeno prodotto sarebbe anche una fonte di energia rinnovabile nel vero senso della parola».
Il team di ricercatori con l’aiuto della linea di luce Brockhouse presso la Canadian Light Source (CLS) situata presso l’Università della Saskatchewan (USA), è stato in grado di analizzare i materiali utilizzati per il loro catalizzatore, consentendo di capire perché il loro design era così efficace.
Graham King, scienziato della linea di luce Brockhouse, ha affermato:
«La linea di luce ci dà accesso a fasci molto intensi di raggi X ad alta energia che ci consentono di vedere dettagli sulla superficie di questi materiali che sono difficili da vedere con altre tecniche».
I metalli preziosi sono spesso utilizzati nelle celle a combustibile a idrogeno, rendendo costosa la produzione di energia a base di idrogeno. Harishchandra Singh e il suo team invece hanno utilizzato il nichel, che è notevolmente più conveniente.
Harishchandra Singh utilizza la tecnologia sincrotrone da anni e si affida a strutture come la Canadian Light Source (CLS) per le sue ricerche su materiali strutturali, edilizi ed energetici in grado di supportare un’economia circolare. Canadian Light Source (CLS) è una struttura di ricerca nazionale dell’Università della Saskatchewan e uno dei più grandi progetti scientifici nella storia del Canada. Più di 1.000 scienziati accademici, governativi e dell’industria di tutto il mondo utilizzano il CLS ogni anno nella ricerca innovativa su salute, agricoltura, ambiente e materiali avanzati.
Harishchandra Singh in conclusione ha detto:
«Poiché le interazioni all’interno del materiale stanno avvenendo su scala nanometrica, questa ricerca sarebbe molto difficile senza il sincrotrone».
