La produzione di idrogeno attraverso un processo fotocatalitico compare sempre più nel dibattito sul futuro dell’energia. Non senza motivo. L’idrogeno è considerato uno dei combustibili più promettenti del futuro. Durante il suo utilizzo si produce esclusivamente acqua. Non emette anidride carbonica. Non genera polveri né ossidi di zolfo. Per questo rappresenta un elemento importante della strategia di neutralità climatica.
Tuttavia, fino a poco tempo fa, lo sviluppo di questa tecnologia era limitato dal costo elevato e dalla dipendenza da metalli rari, in particolare dal platino Nuove ricerche condotte da un team della Chalmers University of Technology dimostra che è possibile ottenere un’elevata resa senza usare questo elemento. Si tratta di un passo importante verso una produzione di idrogeno verde più economica e più accessibile.
Perché la fotocatalisi è così importante?
La fotocatalisi consiste nell’utilizzo diretto dell’energia della luce per avviare reazioni chimiche. Nel caso dell’idrogeno, si tratta della scissione delle molecole d’acqua in idrogeno e ossigeno. Il processo può avvenire per effetto della luce solare, senza la necessità di ricorrere a una fonte esterna di energia elettrica.
Questo la distingue dall’elettrolisi classica. Nell’elettrolizzatore è necessaria la corrente elettrica. Nella fotocatalisi, invece, l’energia della radiazione solare viene utilizzata direttamente.
I vantaggi sono evidenti:
- assenza di emissioni di CO₂,
- possibilità di lavorare in condizioni di irraggiamento solare naturale,
- costi operativi potenzialmente bassi,
- infrastruttura semplificata.
Il problema era tuttavia rappresentato dall’efficienza e dalla durabilità dei materiali catalitici.
Platino: efficace ma costoso
Per anni il platino è stato considerato lo standard nelle reazioni di separazione dell’idrogeno. È molto efficace. Stabilizza la reazione e accelera il trasferimento di elettroni.
Allo stesso tempo, il suo utilizzo presenta gravi inconvenienti:
- prezzo di mercato elevato,
- disponibilità limitata della materia prima,
- concentrazione dell’estrazione in poche regioni del mondo,
- impatto ambientali connesso allo sfruttamento.
Di conseguenza, la produzione fotocatalitica di idrogeno su larga scala con l’uso del platino era considerata poco realistica dal punto di vista economico.
I semiconduttori organici come alternativa
Il nuovo approccio si basa sui polimeri coniugati. Si tratta di semiconduttori organici che possono essere progettati a livello molecolare. La loro struttura consente di tenerne sotto controllo le proprietà ottiche ed elettroniche.
Il team di ricerca ha utilizzato nanoparticelle polimeriche disperse in acqua. Questa forma aumenta la superficie attiva, migliora il contatto con la fase liquida e facilita l’accesso dei reagenti ai siti di reazione.
È importante sottolineare che i materiali organici offrono un ampio spettro di assorbimento della luce. Possono assorbire radiazioni che vanno dall’ultravioletto al vicino infrarosso, permettendo così un migliore sfruttamento dello spettro solare.
Ruolo della struttura chimica
La chiave per un’elevata efficienza risiede nei dettagli della struttura del polimero. Un’appropriata scelta delle unità funzionali aumenta la polarità del materiale, permettendo così alla struttura di interagire meglio con l’acqua.
Una migliore idratazione comporta:
- un trasporto più efficiente dei protoni,
- una maggiore disponibilità di siti attivi,
- una maggiore velocità di reazione.
Inoltre, l’impiego di un’architettura di tipo donatore–accettore migliora la separazione delle cariche. Elettroni e lacune si ricombinano più lentamente, aumentando il tempo di vita degli stati eccitati. Ciò si traduce direttamente in una maggiore efficienza nella reazione di produzione di idrogeno.
In condizioni ottimizzate, si sono raggiunte rese significativamente superiori a molti sistemi precedenti, inclusi alcuni che utilizzano il platino. Inoltre, da un grammo di materiale è possibile generare un’elevata quantità di idrogeno in un’ora. Si tratta di un risultato che fino a poco tempo fa sembrava irraggiungibile senza dover ricorrere a metalli nobili.
Ruolo dell’ambiente di reazione
L’efficacia non dipende solo dal materiale stesso. Importanti sono anche i parametri del processo:
- pH della soluzione,
- disponibilità di donatori di elettroni,
- intensità e spettro della radiazione,
- stabilità chimica del catalizzatore.
Un intervallo ottimale di acidità favorisce un’alta concentrazione di protoni, facilitando la formazione delle molecole di idrogeno. Allo stesso tempo, i ricercatori stanno lavorando alla fase successiva dello sviluppo tecnologico: l’eliminazione dei reagenti aggiuntivi che supportano la reazione. L’obiettivo è la completa scissione dell’acqua utilizzando esclusivamente la luce solare e l’acqua stessa.
Cosa significa per il mercato dell’energia verde?
Se la produzione fotocatalitica di idrogeno senza platino verrà scalata con successo a livello industriale, potrebbe portare a diversi cambiamenti rivoluzionari:
- Riduzione dei costi di produzione dell’idrogeno verde.
- Minore dipendenza dai metalli rari.
- Semplificazione delle catene di approvvigionamento.
- Maggiore decentralizzazione della produzione del carburante.
Ciò è particolarmente importante nel contesto della transizione energetica globale. L’idrogeno può alimentare l’industria pesante, i trasporti a lunga distanza e gli stoccaggi di energia. Tuttavia, ciò è possibile solo se la sua produzione sarà pulita ed economicamente sostenibile.
Prospettive di sviluppo
La tecnologia richiede ancora ulteriori ricerche. È necessario aumentare la durabilità dei materiali e valutare la loro stabilità nel lungo periodo di utilizzo.
Nonostante ciò, la direzione in cui procedere è chiara: i fotocatalizzatori organici aprono un nuovo capitolo nella ricerca sull’idrogeno verde, coniugando la flessibilità della progettazione chimica con costi di produzione potenzialmente bassi.
La produzione fotocatalitica di idrogeno potrebbe, in futuro, diventare uno dei pilastri delle energie rinnovabili. La rinuncia al platino rappresenta un passo che avvicina significativamente questa visione alla sua realizzazione.
