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Produzione idrogeno verde: il connubio rutenio-titanio
I ricercatori della Oregon State University hanno sviluppato un materiale che mostra una notevole capacità di convertire la luce solare e l’acqua in energia pulita.
Una collaborazione guidata da Kyriakos Stylianou dell’OSU College of Science ha creato un fotocatalizzatore che consente di produrre idrogeno ad alta velocità e ad alta efficienza, utilizzato nelle celle a combustibile per le automobili e nella produzione di molti prodotti chimici, tra cui l’ammoniaca, nella raffinazione dei metalli e nella produzione di materie plastiche.
I risultati rappresentano un nuovo potenziale strumento da utilizzare per contrastare le emissioni di gas serra e i cambiamenti climatici, ha dichiarato Stylianou, la cui ricerca si concentra su materiali cristallini e porosi noti come strutture organiche metalliche, solitamente abbreviate in MOF.
Costituiti da ioni metallici caricati positivamente e circondati da molecole organiche “linker”, i MOF hanno pori di dimensioni nanometriche e proprietà strutturali regolabili. Possono essere progettati con una varietà di componenti che determinano le proprietà del MOF.
In questo studio, i ricercatori hanno utilizzato un MOF per derivare un’etero-giunzione di ossido di metallo – una combinazione di due materiali con proprietà complementari – per realizzare un catalizzatore che, esposto alla luce solare, scinde rapidamente ed efficacemente l’acqua in idrogeno.
L’eterogiunzione, denominata RTTA, è caratterizzata da ossido di rutenio e ossido di titanio derivati da MOF e drogati con zolfo e azoto. Hanno testato più RTTA con diverse quantità di ossidi e hanno trovato un chiaro vincitore.
“Tra i vari materiali RTTA, l’RTTA-1, con il contenuto più basso di ossido di rutenio, ha mostrato il tasso di produzione di idrogeno più veloce e un’elevata resa quantica”, ha detto Stylianou.
In appena un’ora, ha osservato, un grammo di RTTA-1 è stato in grado di produrre oltre 10.700 micromoli di idrogeno. Questo processo ha utilizzato i fotoni – particelle di luce – a un tasso impressionante del 10%, il che significa che per ogni 100 fotoni che hanno colpito RTTA-1, 10 hanno contribuito alla produzione di idrogeno.
“La notevole attività di RTTA-1 è dovuta agli effetti sinergici delle proprietà degli ossidi metallici e delle proprietà superficiali del MOF genitore che migliorano il trasferimento di elettroni”, ha dichiarato Stylianou. “Questo studio evidenzia il potenziale delle etero-giunzioni di ossidi metallici derivati da MOF come fotocatalizzatori per la produzione pratica di idrogeno, contribuendo allo sviluppo di soluzioni energetiche sostenibili ed efficienti”.
La produzione di idrogeno mediante scissione dell’acqua attraverso un processo catalitico è più pulita rispetto al metodo convenzionale di ricavare l’idrogeno dal gas naturale attraverso un processo di produzione di diossido di carbonio noto come reforming a vapore del metano.
Gli attuali processi catalitici per la produzione di idrogeno dall’acqua prevedono l’elettrocatalisi, ovvero il passaggio di energia elettrica attraverso il catalizzatore. La sostenibilità dell’elettrocatalisi dipende dall’utilizzo di energia rinnovabile e, per essere competitiva sul mercato, l’energia deve essere poco costosa.
Attualmente, il reforming del metano a vapore produce idrogeno a un costo di circa 1,50 dollari al chilogrammo, rispetto ai circa 5 dollari al chilogrammo dell’idrogeno verde.
“L’acqua è una fonte abbondante di idrogeno e la fotocatalisi offre un metodo per sfruttare l’abbondante energia solare della Terra per la produzione di idrogeno”, ha dichiarato Stylianou. “L’ossido di rutenio non è economico, ma la quantità utilizzata nel nostro fotocatalizzatore è minima. Per le applicazioni industriali, se un catalizzatore mostra una buona stabilità e riproducibilità, il costo di questa piccola quantità di ossido di rutenio diventa di minore importanza”.
Per approfondire: Boosting Photocatalytic Hydrogen Production by MOF-derived Metal Oxide Heterojunctions with a 10.0% Apparent Quantum Yield
Fonte articolo: Oregon State University research uncovers better way to produce green hydrogen
