Catalizzatori non nobili aprono la via a un idrogeno accessibile

Mentre il mondo si allontana dai combustibili fossili per mitigare la crisi del riscaldamento globale, l’idrogeno sta guadagnando visibilità come il ‘carburante del futuro’.

Ciò è dovuto a diversi motivi, tra cui l’abbondanza di acqua, un rendimento energetico più elevato, la produzione di solo acqua come sottoprodotto e emissioni di gas serra (GHG) minime o nulle. Queste qualità rendono l’idrogeno pulito utilizzabile in una vasta gamma di applicazioni come trasporti, generazione di elettricità, riscaldamento e industria, inclusi acciaio, prodotti chimici e cemento.

Mentre l’idrogeno mostra un enorme potenziale nella decarbonizzazione della nostra società, la maggior parte dell’H2 prodotto oggi proviene dal combustibile fossile (metano) stesso, generando notevoli emissioni di CO2. Ciò significa che è necessaria una soluzione scalabile per produrre idrogeno verde e pulito.

Di conseguenza, la ricerca in corso si concentra nel trovare modi efficienti e rispettosi dell’ambiente per produrre carburante a base di idrogeno.

HER: Un percorso promettente per la produzione di idrogeno verde

Uno degli approcci promettenti per produrre idrogeno verde, che ha attirato notevole attenzione, è l’elettrolisi dell’acqua.

Una reazione chiave che avviene nell’elettrolisi dell’acqua per la produzione di idrogeno è la reazione di evoluzione dell’idrogeno (HER), un processo fondamentale nell’elettrochimica.

L’elettrolisi dell’acqua consiste semplicemente nell’utilizzare elettricità per scindere l’acqua in ossigeno (O2) e idrogeno (H2), offrendo un modo efficiente e pulito per produrre carburante a base di idrogeno su larga scala.

Grazie alla sua piccola perdita ohmica (che è l’energia potenziale persa sotto forma di calore mentre le cariche elettriche attraversano un mezzo), all’alta densità di corrente e alla bassa permeazione di gas, estendere il processo HER su scala di laboratorio a un elettrolizzatore ad acqua a membrana a scambio protonico (PEM) commerciale fornisce una via sostenibile verso l’idrogeno verde.

Nell’elettrolisi PEM, l’idrogeno è prodotto scindendo l’acqua mediante elettricità e un elettrolita polimerico solido. In questo processo, innanzitutto l’elettricità viene applicata per separare le molecole d’acqua in ioni idrogeno (protoni), elettroni e ossigeno. I protoni poi si muovono attraverso la membrana, un polimero conduttore di protoni che separa l’anodo e il catodo, mentre gli elettroni viaggiano attraverso un circuito esterno.

All’anodo, la molecola d’acqua viene ossidata, producendo solo ossigeno, protoni ed elettroni. Al catodo, protoni ed elettroni si combinano per formare gas idrogeno.

Questo metodo è utilizzato per produrre idrogeno per celle a combustibile oltre a essere impiegato in vari processi industriali come la produzione di fertilizzanti, la raffinazione del petrolio e la produzione di prodotti petrolchimici.

Il problema, però, deriva dalle condizioni operative difficili, come la forte interfaccia elettrolita‑catalizzatore acida e riduttiva. Questo ambiente costringe gli elettrolizzatori PEM commerciali a utilizzare catodi di platino (Pt), non abbondante e quindi costoso, per mantenere un’elevata attività.

Le condizioni estreme rendono tali catodi (basati su metalli non preziosi) non adatti per gli elettrolizzatori a membrana a scambio protonico (PEM).

L’ampia applicazione reale del PEM, su scala terawatt, richiede catalizzatori economici per sostituire i metalli nobili. Sebbene la ricerca di catodi basati su metalli non preziosi adatti alla commercializzazione del PEM sia in corso, rimane una sfida.

Qui, i fosfuri di metalli di transizione (TMP) hanno mostrato potenziale come catalizzatori HER, ma il loro utilizzo per sostituire i metalli nobili è ancora nelle fasi iniziali. Una ragione principale è la scarsa comprensione della tolleranza in condizioni operative difficili, nonché il monitoraggio della rotazione dei siti attivi durante il processo di generazione dell’idrogeno.

Strategia di Ricostruzione della Superficie Produce Carburante a Idrogeno Accessibile

Recentemente, è stato segnalato che l’uso di nanoparticelle di CoP come catodi può essere facilmente integrato negli elettrolizzatori PEM industriali, dimostrando il loro potenziale per applicazioni commerciali.

Tuttavia, il problema è scalare la reazione HER da un esperimento di laboratorio a una produzione commerciale su larga scala mantenendo i costi bassi, obiettivo che lo studio più recente ha raggiunto.

Secondo i risultati pubblicati su Advanced Energy Materials¹ nell’aprile 2025, un team di ricercatori dell’Università di Tohoku ha dimostrato l’uso esteso di un catodo CoP|F (CoP modificato con fluoro) da scala di laboratorio (0,2 cm²) a un elettrolizzatore PEM commerciale (38 cm²).

Mentre cercavano prestazioni HER superiori, i ricercatori hanno scoperto che la via di ricostruzione della superficie può creare catodi a base di metalli non nobili a lunga durata che migliorano l’HER.

Questi catodi sono in grado di mantenere le loro prestazioni per oltre 300 ore. Inoltre, il costo calcolato dal team si avvicina molto all’obiettivo di produzione di H2 per il 2026 fissato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, pari a 2,00 $ per kg di H2.

Per accelerare la reazione HER, intrinsecamente lenta e inefficiente, il team si è rivolto ai TMP. I fosfuri di metalli di transizione sono un metallo non prezioso economico e durevole. È un catalizzatore promettente con una struttura elettronica unica e alta attività catalitica, che migliora l’efficienza dell’HER.

Poiché per questo scopo si utilizzano tipicamente metalli nobili, i ricercatori ritengono che esista una lacuna di conoscenza sui metalli non nobili da colmare.

Un catalizzatore a base di metallo non nobile si riferisce a un materiale alternativo che è economico e abbondantemente disponibile rispetto ai metalli nobili. Questi catalizzatori non nobili offrono reattività regolabile, il che significa che possono essere modificati secondo necessità per aumentare stabilità, selettività e attività in diversi processi catalitici.

Così, il team ha preparato il CoP modificato con fluoro e ha poi utilizzato spettroscopia di assorbimento a raggi X operativa (XAS) e misurazioni Raman per valutare le sue varie caratteristiche, come la ricostruzione della superficie e i veri siti attivi.

I risultati hanno confermato che l’aggiunta di fluoro al reticolo CoP1‑x può favorire la rottura dei legami Co‑P, portando alla ricostruzione del Co metallico amorfo. La formazione di vacanze di fosforo (P) sulla superficie crea più siti attivi, accelerando l’HER.

La superficie ricostruita mostra alta attività e tolleranza nell’interfaccia elettrolita‑catalizzatore acida e riduttiva. In particolare, quando usato come catodo in un elettrolizzatore PEM commerciale, le prestazioni del catodo CoP|F) sono comparabili al catalizzatore avanzato Pt/C a un costo di appena 2,17 $ per kgH2‑1.

“Questo Co ricostruito è altamente attivo, funziona in condizioni acide e può mantenere circa 76 W per oltre 300 ore,” ha dichiarato Heng Liu, professore assistente presso l’Advanced Institute for Materials Research (WPI‑AIMR). “Stiamo avvicinandoci a un metodo accessibile per produrre carburante,” ha aggiunto, osservando che il costo è di appena 17 centesimi sopra l’obiettivo di produzione attuale fissato per il 2026.

Con questi risultati impressionanti, i ricercatori sperano di offrire una via di ricostruzione della superficie verso catodi a base di metalli non nobili altamente efficienti, a risparmio di costi e durevoli per gli elettrolizzatori PEM commerciali.

Ancora più importante, l’impianto non è stato testato solo su scala di laboratorio con tre elettrodi, ma è stato effettivamente esteso a scala commerciale. E con questo design razionale per nuovi catodi, che potrebbero fungere da base per altri catodi a base di metalli non nobili, lo studio potenzialmente colma il divario dal laboratorio alla fabbrica.

“Pensiamo sempre all’obiettivo finale, ovvero che la ricerca arrivi nella vita quotidiana. Questo progresso ci avvicina di un passo alla progettazione di opzioni più realistiche per le applicazioni PEM commerciali.”

– Liu

Progressi nella Produzione di Idrogeno Pulito

Con l’emergere dell’idrogeno come fonte di energia pulita e rinnovabile promettente, attualmente molta attenzione è rivolta alla produzione efficiente di idrogeno in grado di soddisfare la domanda su scala commerciale, con un crescente interesse per la scissione dell’acqua alimentata dall’elettricità.

L’elettrolisi dell’acqua può essere divisa in due reazioni: la reazione di evoluzione dell’idrogeno (HER), in cui l’acqua è ridotta al catodo per produrre idrogeno, e la reazione di evoluzione dell’ossigeno (OER), in cui l’acqua è ossidata all’anodo per produrre O2. In entrambi i casi, la catalisi svolge un ruolo fondamentale, creando la necessità di catalizzatori altamente efficaci per produrre H2 e O2 in modo efficiente.

Proprio questo mese, in un’altra ricerca dell’AIMR, Università di Tohoku, i ricercatori hanno proposto una nuova struttura di catalizzatore, offrendo un potenziale approccio per la produzione economica di idrogeno tramite elettrolisi dell’acqua. Tuttavia, l’attenzione qui era rivolta all’OER.

Il materiale si concentra su Co3O4 (ossido di cobalto II, III) monocristallino mesoporoso (materiali porosi con diametro dei pori tra 2–50 nm) dopato con iridio (Ir) disperso atomicamente, progettato per l’OER acido.

Sebbene noto per le sue prestazioni OER, l’Ir è scarso e costoso. Inoltre, utilizzare efficientemente l’iridio mantenendo la stabilità rappresenta una sfida nella scalabilità della tecnologia. Pertanto, lo studio propone una soluzione tramite un materiale che massimizza l’efficienza a livello atomico.

Presentando una struttura spinello mesoporosa, il catalizzatore può contenere un alto carico di Ir (13,8 wt%) senza formare grandi aggregati di iridio, consentendo la formazione di siti ponte Co‑Ir. In condizioni OER acide, questi siti hanno dimostrato una elevata attività intrinseca.

Per analizzarlo, la ricerca ha combinato dati sperimentali con modellazione computazionale, suggerendo che gli intermedi di ossigeno (O*) coprano completamente le superfici di Co3O4. Questo generalmente passiva i siti di Co, ma il doping di Ir riattiva i siti migliorando al contempo l’integrità strutturale del catalizzatore.

Questo studio ha ridotto le perdite di Ir e Co a circa un quarto e un quinto, rispettivamente. Inoltre, il catalizzatore ha mantenuto le prestazioni per più di 100 ore.

“L’architettura mesoporosa svolge un ruolo cruciale. Fornisce spazio per il carico di Ir a singolo atomo e aiuta a creare un ambiente stabile per l’attività catalitica.”

– Professor Hao Li, responsabile dello studio

L’attenzione dei lavori futuri sarà sull’adeguamento del livello di doping, sulla scalabilità del processo e sull’integrazione nei sistemi di elettrolizzatori commerciali.

Un altro studio su un catalizzatore di iridio economico ha osservato che l’analisi mostra che per soddisfare la domanda mondiale di idrogeno per il trasporto mediante elettrolisi PEM (PEM‑WE) sono necessari materiali anodici a base di iridio inferiori a 0,05 mgIr/cm². Tuttavia, i migliori catalizzatori attualmente disponibili sul mercato, realizzati in ossido di iridio, contengono circa 40 volte questa quantità.

La buona notizia è che le soluzioni a questo problema sono già in fase di sviluppo. Il progetto Kopernikus P2X del gruppo Heraeus sta creando un nuovo nanocatalizzatore a base di iridio, costituito da uno strato sottile di ossido di iridio (IrO2) su un supporto di biossido di titanio (TiO₂) a scala nanometrica.

Il catalizzatore P2X mostra una stabilità notevole anche in operazioni a lungo termine e supera le prestazioni del benchmark più cristallino.

Oltre a lavorare su varie tecniche per rendere la produzione di idrogeno economicamente vantaggiosa, scalabile e rispettosa dell’ambiente, i ricercatori di tutto il mondo stanno anche esplorando modi per immagazzinarlo in modo efficiente, contribuendo all’adozione pratica dell’idrogeno pulito.

All’inizio di quest’anno, un team di scienziati con il supporto del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha dimostrato un nuovo metodo per immagazzinare e rilasciare idrogeno volatile. Questo affronta una delle principali sfide dell’uso dell’idrogeno come fonte di carburante: l’alto costo e l’inefficienza dello stoccaggio e del trasporto a causa della sua bassa densità e natura esplosiva.

Ciò che gli scienziati hanno fatto è sviluppare un tipo di carburante per jet a base di lignina in grado di legare chimicamente l’idrogeno in forma liquida stabile. Questa tecnologia, secondo il professor Bin Yang della Washington State University, “potrebbe consentire uno stoccaggio efficiente e ad alta densità di idrogeno in un carburante per aviazione sostenibile e facile da gestire, eliminando la necessità di serbatoi pressurizzati per lo stoccaggio e il trasporto.”

Il nuovo processo ha impiegato reazioni chimiche che hanno generato carboni aromatici e idrogeno dal carburante jet sperimentale a base di lignina sviluppato in laboratorio. La lignina, presente nelle piante, è un polimero naturale e il secondo materiale più abbondante sulla Terra.

Nei prossimi passi, i ricercatori progetteranno un catalizzatore guidato dall’IA per migliorare le reazioni, rendendole più efficienti ed economicamente vantaggiose.

Azienda Innovativa

Cummins Inc (CMI )

Il fornitore globale di soluzioni energetiche, Cummins Inc., opera attraverso vari segmenti, tra cui Engine, Components, Distribution, Power Systems e Accelera.

L’azienda sta esplorando e utilizzando ampiamente la tecnologia dei motori a idrogeno per contribuire a costruire un futuro sostenibile. Cummins è entrata per la prima volta nell’economia dell’idrogeno nel 2019 con l’acquisizione di Hydrogenics, un produttore di celle a combustibile e elettrolizzatori a idrogeno. Da allora ha compiuto progressi continui.

Ciò include il lancio di motori ICE a idrogeno da 15 L e motori a gas naturale da 15 L. Il portafoglio di Cummins comprende anche soluzioni di stoccaggio dell’idrogeno e lo sviluppo della tecnologia delle celle a combustibile.

Qualche anno fa, Accelera ha avviato le operazioni per la produzione di elettrolizzatori in Minnesota, il suo primo sito di produzione di elettrolizzatori negli Stati Uniti.

“L’elettrolisi su larga scala per produrre idrogeno verde è un elemento chiave nella decarbonizzazione dei trasporti e dell’industria.”

– Amy Davis, presidente di Accelera all’epoca.

Nel marzo 2025, nel frattempo, Cummins è diventata membro fondatore della Hydrogen Engine Alliance of North America (H2EA‑NA), un’iniziativa formata da esperti del mondo accademico, governativo e dell’industria dei trasporti per promuovere i motori a combustione interna a idrogeno (H2‑ICE) e la loro applicazione nei motori marini e nei veicoli e attrezzature su strada e fuoristrada.

Per quanto riguarda le performance di mercato dell’azienda, le azioni di Cummins hanno mostrato una forte tendenza al rialzo per oltre due decenni. Questo percorso è stato caratterizzato da cali lungo il cammino, offrendo una buona opportunità per gli investitori di acquistare. Il calo di quasi il 16 % delle azioni di Cummins finora quest’anno potrebbe essere interpretato allo stesso modo.

Al momento della stesura, le azioni CMI sono scambiate a 294,16 $, il che porta la capitalizzazione di mercato di Cummins a 40,38 miliardi di dollari. Con ciò, ha un EPS (TTM) di 28,17, un P/E (TTM) di 10,41 e un ROE (TTM) del 41,27 %. Curiosamente, Cummins offre anche un rendimento da dividendo del 2,48 %, rendendola un’opportunità di investimento potenzialmente attraente.

Per quanto riguarda i dati finanziari, nel 2024, anno che l’azienda ha definito “trasformativo” per aver compiuto “significativi progressi nell’avanzare la nostra strategia Destination Zero” e aver conseguito “risultati record”, il fatturato è rimasto stabile a 34,1 miliardi di dollari.

Ciò è stato il risultato di vendite in Nord America in aumento dell’1 % nonostante una diminuzione della domanda di camion pesanti, e di ricavi internazionali in calo dell’1 % rispetto all’anno precedente. Una ragione di ciò è stata Atmus Filtration Technologies (ATMU ), che si è separata da Cummins (CMI ) lo scorso anno per diventare una società completamente indipendente. Inoltre, Accelera ha subito una riorganizzazione, che ha comportato oneri a causa della decisione di razionalizzare le operazioni e concentrare gli investimenti.

L’utile netto di Cummins per l’intero anno 2024 è stato di 3,9 miliardi di dollari, o 28,37 $ per azione diluita, in aumento significativo grazie al guadagno legato alla separazione di Atmus.

Per quest’anno, Cummins prevede che il fatturato si collocherà in un intervallo tra -2 % e +3 % a causa di una domanda “leggermente più debole” prevista in Nord America. Tuttavia, l’azienda ha confermato l’impegno verso il suo obiettivo strategico a lungo termine di restituire il 50 % del flusso di cassa operativo agli azionisti.

Nel 2024, Cummins ha effettivamente aumentato il dividendo in contanti sulle azioni ordinarie per il quindicesimo anno consecutivo, restituendo 969 milioni di dollari agli azionisti tramite dividendi.

Altri sviluppi realizzati dall’azienda nell’ultimo anno includono l’introduzione della piattaforma motore Cummins HELM (Higher Efficiency, Lower Emissions and Multiple Fuels) implementata nei portafogli di motori delle serie B, X10 e X15, e il lancio di un nuovo motore esclusivo per la nuova linea di camion medio-pesanti del produttore giapponese Isuzu.

Inoltre, Accelera, EVE Energy, Daimler Trucks & Buses e PACCAR (PCAR ) hanno costituito una joint venture chiamata Amplify Cell Technologies per localizzare la produzione di celle batteriche e la catena di fornitura di batterie negli Stati Uniti. Amplify ha già iniziato la costruzione di una fabbrica da 21 GWh, con l’obiettivo di avviare la produzione nel 2027.

Ultime novità su Cummins Inc.

Conclusione

Un’alternativa promettente ai combustibili fossili è l’idrogeno pulito. Questo componente critico della strategia globale di decarbonizzazione offre alta densità energetica, sottoprodotti non inquinanti e versatilità in vari settori, rendendo fondamentale lo sviluppo di metodi economicamente vantaggiosi per la produzione di idrogeno.

L’elettrolisi PEM è uno di questi approcci che può contribuire a far progredire gli sforzi di transizione energetica mondiale. Qui, i ricercatori dell’Università di Tohoku sostituiscono i costosi catalizzatori di platino con alternative di metalli non preziosi ingegnerizzate a livello superficiale, segnando un passo chiave per rendere l’idrogeno pulito commercialmente realizzabile.

I suoi vantaggi di costo, vicini all’obiettivo di costo del DOE statunitense, e la scalabilità del catodo CoP|F negli elettrolizzatori PEM reali dimostrano che potremmo sbloccare l’idrogeno pulito come soluzione di massa per le esigenze energetiche globali!

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Studi citati:

1. ​Wu, R., Liu, H., Xu, J., Qu, M.-R., Qin, Y.-Y., Zheng, X.-S., Zhu, J.-F., Li, H., Su, X.-Z., & Yu, S.-H. (2025). Surface reconstruction activates non-noble metal cathode for proton exchange membrane water electrolyzer. Advanced Energy Materials, 15(10), 2405846. https://doi.org/10.1002/aenm.202405846 in italiano.