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Un gruppo di ricercatori della Oregon State University ha sviluppato un nuovo materiale capace di produrre idrogeno dall’acqua sfruttando soltanto la luce, senza ricorrere a un costoso catalizzatore metallico aggiuntivo. Il lavoro è coordinato da Kyriakos Stylianou del College of Science dell’ateneo americano. Descrive un fotocatalizzatore in grado di generare idrogeno in modo rapido ed efficiente, e la sua insolita chimica basata sullo zolfo potrebbe aprire la strada a soluzioni più economiche e pratiche per trasformare l’energia solare in combustibile pulito. Non è un dettaglio secondario. L’idrogeno trova impiego nelle celle a combustibile per i veicoli ma anche nella produzione di ammoniaca, nella raffinazione dei metalli e nella fabbricazione della plastica.
Per capire di cosa si parla conviene partire dalle basi. Un catalizzatore, spiega Stylianou, è una sostanza che accelera una reazione chimica senza uscirne modificata in modo permanente. Il fotocatalizzatore funziona più o meno allo stesso modo ma viene attivato dalla luce. Dopo averla assorbita, il materiale raggiunge uno stato energetico più elevato e sfrutta quella spinta per far procedere le reazioni più velocemente. I risultati sono stati pubblicati sul Journal of the American Chemical Society. Secondo il ricercatore potrebbero offrire un ulteriore strumento per ridurre le emissioni di gas serra e contrastare il cambiamento climatico.
I MOF e uno strano legame tra atomi di zolfo
Al centro della ricerca ci sono i metal organic frameworks, conosciuti con la sigla MOF. Si tratta di materiali cristallini e porosi la cui struttura può essere personalizzata con grande precisione. Sono costruiti a partire da ioni metallici carichi positivamente, circondati da molecole organiche che fanno da collegamento. Grazie ai pori minuscoli e a un’architettura regolabile, gli scienziati possono calibrarne le proprietà in base all’applicazione desiderata. In teoria le combinazioni possibili sono milioni. I chimici ne hanno già sintetizzate quasi 100.000, mentre per circa mezzo milione di altre strutture le caratteristiche sono state previste.
Lo studio si è concentrato su un MOF chiamato BVR 19. Questo composto contiene un legame insolito tra due atomi di zolfo che si spezza temporaneamente quando viene colpito dalla luce, generando specie di zolfo altamente reattive. “È la componente organica a fare il lavoro importante” racconta Stylianou. “Invece di affidarsi soprattutto agli atomi di metallo, il nostro materiale usa i suoi mattoncini organici contenenti zolfo per catturare l’energia luminosa e spostare gli elettroni dove servono per produrre idrogeno. È un modo diverso di pensare alla progettazione di questi materiali.”
Proprio per questo BVR 19 non ha bisogno di un catalizzatore metallico aggiuntivo e costoso. Questo potrebbe semplificare la progettazione dei futuri sistemi di produzione alimentati dalla luce. C’è poi un altro possibile vantaggio. Il materiale si forma spontaneamente in soluzione acquosa a temperatura ambiente, e questo riduce l’energia necessaria per fabbricarlo.
Un’alternativa più pulita al metodo tradizionale
Scindere l’acqua con un catalizzatore può essere molto più pulito del metodo industriale oggi dominante, che si basa sul gas naturale. Quel processo, chiamato steam reforming del metano, libera anidride carbonica mentre produce idrogeno. Le tecniche già esistenti per ricavare idrogeno dall’acqua si appoggiano spesso all’elettrocatalisi, che usa l’elettricità per avviare la reazione. Il beneficio ambientale però dipende molto dall’origine di quella corrente. Per restare sostenibile e competitiva sul piano economico, l’energia deve arrivare da fonti rinnovabili a basso costo. Attualmente l’idrogeno ricavato dal metano costa circa 1,30 euro al chilo, mentre l’idrogeno verde si aggira intorno ai 4,30 euro.
“Il nostro lavoro fornisce uno schema per progettare materiali migliori, capaci di abbassare il costo dell’idrogeno verde” spiega Stylianou, che dirige il Materials Discovery Laboratory dell’università, noto come MaD Lab. “Cambiando il metallo e lasciando il resto del materiale sostanzialmente invariato, abbiamo scoperto perché alcune versioni del MOF funzionano molto meglio di altre. Questi risultati offrono nuove regole di progettazione per creare materiali più efficaci nella produzione di combustibili solari.”
Allo studio hanno lavorato diversi membri del MaD Lab, tra cui Emmanuel Musa, Dylan Pyle, Jacob Lessard e Andrzej Gladysiak, affiancati da altri ricercatori della Oregon State University come Xiulei “David” Ji, Chong Fang e Tim Zuehlsdorff. La ricerca è stata sostenuta dal Murdock Charitable Trust, dalla National Science Foundation e dal College of Science dell’ateneo.
Fonte: TecnoAndroid
