Un catalizzatore di idrogeno più economico

Il platino normalmente svolge un ruolo cruciale nelle celle a combustibile e nella produzione di idrogeno. Ora un gruppo di ricercatori ha mostrato come ottenere lo stesso tipo di reattività utilizzando un metallo, il nichel, che è mille volte meno costoso del platino. Il gruppo– ricercatore Vincent Artero , e Alan Le Goff e Serge Palacin al Commissione centrale per l'energia nucleare vicino a Parigi, composti a base di nichel utilizzati chimicamente legati a nanotubi di carbonio.

Catalizzatore per celle a combustibile: Un nuovo materiale catalitico fatto di nichel (mostrato qui attaccato a un elettrodo sperimentale di nanotubi di carbonio) potrebbe ridurre il costo delle celle a combustibile e della produzione di idrogeno.

Il platino viene generalmente utilizzato nel processo di scissione dell'acqua perché è un catalizzatore così efficace. Il problema con il platino è che è un metallo molto costoso e non ce n'è abbastanza sulla Terra per sostenere un'economia mondiale dell'idrogeno, afferma Artero.

Gli elettrodi realizzati con il nuovo catalizzatore sarebbero circa il 20% più economici di quelli in platino, afferma Artero. Dato che il platino rappresenta circa un terzo del costo delle celle a combustibile, ciò potrebbe avere un impatto significativo sul prezzo della tecnologia delle celle a combustibile.

I nuovi composti sono basati su un tipo di enzima chiamato idrogenasi. Normalmente presenti nei batteri e nelle alghe che vivono in condizioni anaerobiche (o prive di ossigeno), questi enzimi vengono utilizzati da questi organismi come catalizzatori per metabolizzare l'idrogeno, afferma Artero. Usano esattamente lo stesso processo delle celle a combustibile per rimanere in vita, dice.

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno mostrato grande interesse nell'uso della chimica molecolare per cercare di imitare la struttura di questi catalizzatori naturali. Poiché i componenti attivi di questi composti molecolari sono reattivi come il platino ma sono costituiti invece da nichel o ferro, promettono di essere molto più economici da usare.

Tuttavia, fino ad ora, le molecole di idrogenosi sintetiche, come quelle sviluppate da Daniel DuBois presso i Pacific Northern National Laboratories di Richland, WA, sono stati dimostrati solo in forma di soluzione. Per essere di utilità pratica, le molecole devono essere legate a un elettrodo, piuttosto che galleggiare in un liquido.

Modificando i componenti attivi a base di nichel di questi composti, Artero e colleghi hanno trovato un modo per attaccare le molecole ai nanotubi di carbonio. I nanotubi hanno due vantaggi: sono ottimi conduttori di elettroni e hanno una superficie specifica molto elevata, afferma Artero. Ciò significa che è possibile caricare una grande quantità di materiale catalitico sulla sua superficie, afferma.

Nei test riportati nel numero di questa settimana della rivista Scienza , il gruppo ha mostrato che questo catalizzatore modificato era efficace e stabile per eseguire ripetutamente la reazione.

Questo lavoro rappresenta un progresso significativo nell'applicazione di elettrocatalizzatori molecolari per la produzione e l'ossidazione dell'idrogeno, afferma DuBois. Dimostra, dice, che questi catalizzatori molecolari altamente reattivi possono funzionare in modo efficiente in condizioni che possono essere pratiche per gli elettrolizzatori e le celle a combustibile. Questo è un passo importante verso lo spostamento di catalizzatori di ispirazione biologica dal concepimento alla pratica.

Nate Lewis , professore di chimica al Caltech, è d'accordo. Questo è un passo importante verso lo sviluppo di un sistema completo che separa l'acqua dalla luce solare, dice. Ma Lewis nota che trovare un modo per attaccare i catalizzatori a una superficie in modo che possano essere utilizzati in un elettrodo è solo un pezzo del puzzle.

John Turner , un ricercatore in scienze energetiche presso il National Renewable Energy Laboratory di Golden, CO, aggiunge che la principale barriera per la produzione di idrogeno dall'acqua e dalle celle a combustibile per il trasporto non è la catalisi dell'idrogeno, ma la catalisi dell'ossigeno.

I catalizzatori a base di nichel sono già utilizzati in grandi elettrolizzatori commerciali multi-megawatt, ma questi catalizzatori sono molto meno efficienti di quelli al platino e tendono ad essere molto grandi, in genere circa 10 metri quadrati.

Turner osserva che la corrente prodotta dal catalizzatore di Artero è ancora ordini di grandezza inferiore a quella che può essere ottenuta con il platino. Artero dice che si può rimediare abbastanza facilmente. Nota che i nanotubi utilizzati negli esperimenti del suo team hanno ricevuto solo un basso carico del materiale catalitico. Aumentare questo dovrebbe aumentare la corrente: è una lacuna che possiamo colmare, dice.

nascondere