Idrogeno verde: il catalizzatore dal “cuore di grafene” più efficiente e durevole dagli studi Cnr

È stato pubblicato sulla rivista Cell Reports Physical Science lo studio relativo alla messa a punto di un nuovo catalizzatore a basso costo ed alta efficienza denominato “NiGraf” per la produzione elettrolitica di idrogeno dall’acqua, frutto di un team del Consiglio nazionale delle ricerche composto da ricercatori e ricercatrici dell’Istituto di cristallografia del Cnr di Bari (Cnr-Ic), dell’Istituto dei composti organometallici del Cnr di Firenze (Cnr-Iccom), e dell’Istituto per lo studio dei materiali nanostrutturati del Cnr di Palermo (Cnr-Ismn).
Il team ha progettato un dispositivo completamente innovativo che incapsula una struttura di ossido di grafene all’interno –e non alla superficie- del reticolo cristallino di nanoparticelle a base di nickel: “In questo modo la speciale struttura planare del grafene interagisce in modo vantaggioso con il reticolo cristallino di nanoparticelle a base di nickel, determinando un aumento di efficienza e stabilità del catalizzatore per effetto cooperativo tra le due fasi cristalline”, spiega Rocco Caliandro (Cnr-Ic), primo autore dello studio con Enrico Berretti (Cnr-Iccom). Il gruppo di ricerca, guidato da Cinzia Giannini (Cnr-Ic), era composto anche dai ricercatori Alessandro Lavacchi (Cnr-Iccom) e Mario Pagliaro (Cnr-Ismn).
La ricerca ha portato, inoltre, a sviluppare un nuovo metodo per studiare il catalizzatore in condizioni operative, utilizzando il fascio di raggi X ad alta intensità dell’acceleratore del Brookhaven National Laboratory, negli Stati Uniti: in questo modo è stato possibile capire cosa accade, a livello atomico, all’interno di una cella elettrolitica, comprendendo l’evoluzione del suo comportamento su scala atomica. Un passo, questo, molto importante per lo sviluppo di nuovi elettrocalizzatori per la produzione di idrogeno dall’acqua.
Nel mondo, vengono ogni anno prodotte circa 60 milioni di tonnellate di idrogeno: di queste 600.000 sono ottenute scindendo l’acqua per via elettrolitica su elettrodi in cui il materiale catalitico è il nickel, un metallo abbondante e a basso costo. Quando l’elettricità impiegata nel processo è derivata da fonti rinnovabili come il sole, l’acqua e il vento, si ottiene l’idrogeno “verde”, che poi riconvertito in acqua nelle celle a combustibile idrogeno rende disponibile l’energia accumulata in modo programmabile. Per questo, l’elettrolisi a basso costo è considerata una delle tecnologie chiave della transizione energetica. Per abbassarne il costo, occorre fra l’altro sviluppare nuovi materiali catalitici più efficienti e durevoli.
Gli studi sono stati finanziati dal Pnrr nell’ambito della progettualità delle ricerche sull’idrogeno. “Questo risultato, reso possibile dalla collaborazione fra diversi Istituti del Cnr dimostra ancora una volta come siano i grandi progetti nazionali a poter dare alla ricerca italiana la massa critica necessaria a realizzare grandi progressi scientifici, e non semplice ricerca incrementale”, concludono gli autori. (aise)