Idrogeno verde: ricercatori sviluppano nuovi catalizzatori a base di ferro e nichel

Un gruppo di ricercatori ha presentato una nuova classe di catalizzatori per la produzione di idrogeno verde basati su ossidi di nichel e ferro. Lo studio mira a risolvere il problema degli elevati costi legati all'impiego di metalli preziosi e rari, come platino, rutenio e iridio, attualmente necessari per i processi di elettrolisi dell'acqua alimentati da fonti rinnovabili come l'energia solare ed eolica.

Il cuore della ricerca risiede nell'integrazione di questi metalli comuni su una base di MXene, un materiale conduttivo bidimensionale con formula Ti3C2Tx. Sulla superficie di questo supporto, gli scienziati hanno fatto crescere nanofibre di carbonio utilizzando il metodo della deposizione chimica da fase vapore (CVD). All'estremità di queste fibre si formano le particelle di ossidi metallici che fungono da siti attivi per le reazioni chimiche necessarie alla scissione delle molecole d'acqua.

Le analisi effettuate tramite microscopia e spettroscopia hanno confermato che la struttura stratificata del materiale MXene rimane intatta durante il processo, mentre le nanofibre di carbonio garantiscono una distribuzione efficace dei catalizzatori. In particolare, il composito a base di nichel ha mostrato una struttura del carbonio più ordinata e simile alla grafite, con un numero ridotto di difetti rispetto alla variante basata sul ferro.

Nelle prove di elettrolisi alcalina, il materiale al nichel ha registrato prestazioni vicine a quelle dei catalizzatori standard. Nella reazione di evoluzione dell'ossigeno, il composito ha richiesto una sovratensione di 300 mV per raggiungere una determinata densità di corrente, contro i 250 mV necessari per l'ossido di rutenio. Questo scarto di soli 50 mV rappresenta un risultato significativo, considerando la notevole differenza di prezzo tra il nichel e il rutenio. Per la reazione di evoluzione dell'idrogeno, il nichel ha richiesto 490 mV, mentre il ferro si è attestato a 520 mV per raggiungere una densità di corrente di 10 mA/cm2.

Nonostante i risultati superiori del nichel a livello di singolo materiale, l'assemblaggio di prototipi completi di elettrolizzatori ha fornito dati differenti. Utilizzando lo stesso catalizzatore su entrambi gli elettrodi, il composito di ferro ha garantito una tensione di cella di 2,2 V a una densità di corrente di 10 mA/cm2, superando i 2,7 V registrati dal nichel. Secondo quanto riportato dagli studiosi, questo comportamento suggerisce che il ferro sia in grado di stabilizzare meglio l'ambiente chimico durante le reazioni complessive della cella.

I test di durata condotti sull'arco di ventiquattr'ore hanno evidenziato una leggera diminuzione dell'attività catalitica per entrambi i materiali. Tuttavia, le proprietà del catalizzatore al nichel sono cambiate meno rispetto a quello al ferro, mostrando una maggiore stabilità operativa. La ricerca prosegue ora per ottimizzare la longevità di questi componenti, con l'obiettivo di rendere la produzione di idrogeno verde un'alternativa economicamente sostenibile ai combustibili fossili, evitando così le emissioni di anidride carbonica associate ai metodi di produzione tradizionali.