Nuovi percorsi per una produzione di idrogeno più efficiente scoperti

Trovare il catalizzatore di idrogeno giusto

Hydrogen could, in theory, be a perfect fuel to store energy and power applications that are hard to electrify. This is because it presents a few almost ideal characteristics:

• The byproduct of its combustion is only water
  • And the same can be said when it is used to produce electricity in fuel cells.
• It can burn at very hot temperatures, making it a good alternative to natural gas in metallurgy, chemical processes, etc.
• It only requires water as a resource for its production.
• Hydrogen is itself non-toxic and non-polluting.

Tuttavia, l’ascesa di un’economia basata sull’idrogeno è stata ostacolata dalla difficoltà di produrre idrogeno in modo economicamente vantaggioso. Ciò è dovuto al fatto che la maggior parte dell’idrogeno verde (prodotto da energia verde) viene realizzata tramite elettrolisi, un processo attualmente basato principalmente su catalizzatori costosi come platino, rutenio o iridio, tutti metalli molto rari e costosi.

Quindi, finché non esisterà un metodo di produzione migliore per l’idrogeno, è improbabile che riusciremo a vederlo sostituire i combustibili fossili su larga scala.

Fortunatamente, questo sta cambiando rapidamente. In precedenza abbiamo trattato alcune di queste possibilità, in particolare trasformare i rifiuti plastici in idrogeno, usando nanorod di nickel come catalizzatore alternativo, o usando metalli di scarto di titanio e nickel (swarf) prodotti durante la fabbricazione di componenti metallici. Alcune opzioni più recenti sono ora aggiunte dai ricercatori.

Il primo è la creazione di catalizzatori auto-ottimizzanti¹ da parte di ricercatori della Johannes Gutenberg Universität (Germania) e della Technical University of Darmstadt (Germania), del Max Planck Institute for Polymer Research (Germania), dell’Harbin Institute of Technology (Cina) e della Shandong University (Cina). È stato pubblicato su Angewandte Chemie con il titolo “Self-optimizing Cobalt Tungsten Oxide Electrocatalysts toward Enhanced Oxygen Evolution in Alkaline Media.”

Il secondo è l’invenzione di un metodo per trasformare il fanghiglia di depurazione in idrogeno verde e mangime animale² da parte di ricercatori della Nanyang Technological University (Singapore), della Monash University (Australia) e dell’University of Hong Kong (Cina). È stato pubblicato su Nature Water con il titolo “Solar-driven sewage sludge electroreforming coupled with biological funnelling to cogenerate green food and hydrogen”.

Correggere i catalizzatori di idrogeno

Un problema ricorrente con tutti i catalizzatori che producono idrogeno è che si degradano nel tempo. Ciò può dipendere dalla formazione di un deposito sui metalli reattivi, o dal lento degrado dello stesso strato metallico che perde componenti ad ogni ciclo catalitico.

Ciò è particolarmente problematico per i costosi catalizzatori del gruppo dei metalli del platino, ma è anche un problema per altri tipi di catalizzatori a base di metallo.

Pertanto, è importante che i ricercatori tedeschi e cinesi del primo studio discusso qui abbiano osservato un comportamento auto-ottimizzante con i loro nuovi catalizzatori.

“What’s so unique about our catalyst is that it actually enhances its performance over time, while conventional catalysts either maintain their performance at a consistent rate or even lose some of their performance because they are insufficiently durable,”
Dr. Dandan Gao – Responsabile della ricerca presso la Johannes Gutenberg University Mainz

Catalisi Cobalto-Tungsteno

Risoluzione del collo di bottiglia nella produzione di idrogeno

I ricercatori si sono concentrati sui cosiddetti ossidi di metalli di transizione dal 3d al 5d, formulati come metalli misti.

Questi sono in grado di eseguire una reazione chimica chiamata reazione di evoluzione dell’ossigeno (OER), che rappresenta la metà della reazione che avviene durante l’elettrolisi dell’acqua in idrogeno, in entrambi i design di elettrolizzatori più comuni (elettrolizzatori AEM e PEM).

Fonte: SpectroInlet

 “There are two reactions during the splitting of water. The hydrogen evolution reaction (HER), which produces hydrogen gas, and the oxygen evolution reaction (OER), which produces oxygen gas. The OER represents the bottleneck for the whole reaction. That’s why we are so committed to developing a catalyst that can promote the OER half-reaction.”
Dr. Dandan Gao – Responsabile della ricerca presso la Johannes Gutenberg University Mainz

Tuttavia, questi nuovi potenziali catalizzatori sono ancora poco compresi, con scarsa conoscenza di ciò che avviene esattamente a livello atomico durante la reazione, o anche della forma elettrochimica assunta dal metallo.
Questa mancanza di comprensione è un grande ostacolo allo sviluppo di una soluzione commercialmente valida, poiché limita anche la capacità di ancorare i catalizzatori a un substrato stabile.

Metodo di deposito a un passo

I ricercatori hanno utilizzato un substrato a microfiore di ossido di rame (L−CuO) con diametro di 3–5 μm, precedentemente sviluppato nel loro laboratorio nel 2020.

Successivamente hanno impiegato un metodo di deposito chimico per creare uno strato di lega cobalto-tungsteno sulla superficie del substrato di rame.

Fonte: Angewandte Chemie

Analisi successive hanno rivelato le complesse strutture microscopiche del materiale, utilizzando spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS), spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier a riflessione totale attenuata (ATR-FTIR) e misurazioni di spettroscopia Raman.

Ha anche confermato che il catalizzatore è molto saldamente legato al substrato di rame.

“The development of viable and scalable deposition approaches is of utmost technological, economic, and ecological significance, enabling stable anchoring of OER pre-catalysts on selected promising substrates with high mechanical integrity”
Fonte: Angewandte Chemie

Catalizzatore auto-ottimizzante

Da queste osservazioni estremamente dettagliate, gli scienziati hanno scoperto che gli ioni cobalto passano dalla forma Co₂₊ alla Co3₊. Allo stesso tempo, gli ioni tungsteno si spostano dalle forme W5+ alle forme W6+.

Di conseguenza, nel tempo, la parte elettrochimicamente attiva del catalizzatore viene trasferita dal sito attivo del tungsteno a quello del cobalto.

Fonte: Angewandte Chemie

Il catalizzatore cambia anche in termini di idrofilicità superficiale, ovvero la sua capacità di attrarre acqua (il combustibile per la generazione di idrogeno): nel tempo, diventa più idrofilo.

“In general, we recorded notably reduced overpotentials and increased current densities accompanied by a substantial increase in OER kinetics. All this is positive news for the hydrogen production of the future.”
Dr. Dandan Gao – Responsabile della ricerca presso la Johannes Gutenberg University Mainz

Questo dovrebbe rappresentare un passo importante verso la realizzazione di ossidi di metalli di transizione come catalizzatori validi per la produzione di idrogeno.

Non solo dimostra che il team di scienziati ha sviluppato un substrato di rame valido per il catalizzatore, ma anche che tali catalizzatori possono essere iper-stabili e persino migliorare nel tempo.

Fornisce inoltre il quadro teorico per valutare il potenziale di altre combinazioni di metalli di transizione non ancora così ben comprese come il cobalto-tungsteno.

Non serve la catalisi?

Gestire il fanghiglia delle città

Nel frattempo, la produzione di idrogeno potrebbe anche iniziare a provenire dai massicci flussi di rifiuti che le nostre città generano. Questo è almeno il concetto esplorato da ricercatori di Singapore, Cina e Australia.

Si sono concentrati sul fanghiglia di depurazione, un sottoprodotto tossico della pulizia delle acque reflue. Questi fanghi sono notoriamente difficili da trattare e smaltire a causa della loro struttura complessa, composizione e contaminanti come metalli pesanti e patogeni.

Ogni anno vengono generati a livello globale più di 100 milioni di tonnellate di fanghiglia di depurazione. I metodi di smaltimento comuni – come l’incenerimento o la discarica – richiedono molto tempo, sono poco efficienti dal punto di vista energetico e contribuiscono all’inquinamento ambientale.

Invece, potrebbe diventare una fonte di mangime animale e idrogeno allo stesso tempo.

Trasformare il fanghiglia in risorse

I ricercatori hanno sviluppato un processo in 3 fasi per trattare i fanghi.

Prima, frantumano meccanicamente i fanghi in un liquido. Poi rimuovono i metalli pesanti dal materiale organico tramite un trattamento chimico.

Successivamente, utilizzano un processo elettrochimico per trasformare i materiali organici in prodotti di valore: acido acetico e gas idrogeno, usando elettrodi specializzati.

Infine, alimentano una coltura di batteri in grado di sfruttare la luce (cianobatteri) per trasformare il contenuto organico residuo in proteine a cellula singola adatte al mangime animale.

Sia il secondo che il terzo passo sono alimentati direttamente (nel caso dei batteri) o indirettamente con pannelli solari (nel caso del trattamento elettrochimico) dalla luce solare.

Ciò rende l’intero processo di riciclaggio del fanghiglia completamente privo di carbonio, e in realtà carbon negative, poiché evita le emissioni di carbonio derivanti dal normale trattamento del fanghiglia e sostituisce altre fonti basate su combustibili fossili per l’acido acetico, l’idrogeno e il mangime animale.

L’idrogeno può essere utilizzato come fonte di energia pulita, e l’acido acetico è un ingrediente chiave per le industrie alimentari e farmaceutiche.

Fonte: Nature Water

Alta efficienza

Questo metodo ha dimostrato di recuperare il 91,4% del carbonio organico nel fanghiglia di depurazione e convertire il 63% del carbonio organico in proteine a cellula singola.

Questo è molto più alto rispetto alla digestione anaerobica tradizionale, che tipicamente recupera e converte circa il 50% dei materiali organici nel fanghiglia di depurazione.

Nel complesso, ciò riduce le emissioni di carbonio del 99,5% e il consumo energetico del 99,3% rispetto ai metodi tradizionali.

“We hope that our proposed method shows the viability of managing waste sustainably and shift how sewage sludge is perceived — from waste to a valuable resource that supports clean energy and sustainable food production.”
Dr Zhao Hu, Ricercatore presso la Nanyang Technological University

Oltre a questa alta efficienza, purifica anche il fanghiglia dai metalli pesanti, che tendono a inquinare le discariche nei metodi abituali di gestione.

Questo nuovo metodo indica che una rivoluzione nel modo in cui le acque reflue vengono gestite nel mondo è possibile, rimuovendo i metalli pesanti (forse per un successivo riciclaggio?) e producendo contemporaneamente acido acetico utile, idrogeno e mangime animale.

Conclusione

Un’economia dell’idrogeno sarà probabilmente una rete complessa di varie fonti di idrogeno.

Molto probabilmente, saranno i catalizzatori avanzati a effettuare l’elettrolisi dell’acqua in idrogeno, senza richiedere metalli rari costosi. Ciò ridurrebbe il costo dell’idrogeno a un livello tale da renderlo un concorrente economicamente valido rispetto ai combustibili fossili e ad altre alternative verdi.

Un’altra fonte probabile è sfruttare meglio i milioni di tonnellate di rifiuti prodotti dall’agricoltura, dalle acque reflue e da altre attività umane. Poiché questi necessitano comunque di trattamento, è di gran lunga migliore iniziare a processarli in modo da rimuovere gli inquinanti (come i metalli pesanti) e creare nuovi prodotti utili.

E se ciò avviene utilizzando esclusivamente l’energia solare, tanto meglio.

Azienda di Catalisi del Tungsteno

Il tungsteno sta emergendo progressivamente non solo come metallo super resistente, utilizzato nell’industria pesante e nel settore della difesa, ma anche come potente catalizzatore utile per l’industria chimica e per generare idrogeno.

Potrebbe persino diventare un potente superconduttore ad alta temperatura quando intrecciato nella giusta configurazione molecolare.

Puoi leggere una panoramica tecnica e di investimento su questa risorsa in “Tungsten – The Secret High-Tech Metal”.

È anche un metallo la cui catena di approvvigionamento è quasi interamente controllata dalla Cina, con un’eccezione: Almonty Industries (ALM ).

Almonty Industries

Almonty è un’azienda mineraria di tungsteno che attualmente produce principalmente da una miniera in Portogallo, in attività da 125 anni.

L’azienda ha lavorato all’espansione della miniera portoghese e possiede depositi non sviluppati in Spagna.

Fonte: Almonty

Il progetto più importante dell’azienda è lo sviluppo in corso di una nuova miniera a Sangdong, Corea del Sud. La miniera contiene più risorse inferite rispetto a tutti gli altri suoi depositi combinati.

Fonte: Almonty

Essendo uno dei pochi mineratori di tungsteno attivi e produttivi nei paesi occidentali, Almonty è un fornitore strategico chiave per l’industria della difesa. Pertanto, è un’azienda importante per ridurre la dipendenza dall’approvvigionamento cinese.

La posizione della miniera di Sangdong la rende un fornitore perfetto per l’industria della difesa, con la Corea del Sud, nuovo gigante nella produzione di massa di equipaggiamento militare “low tech” come carri armati, artiglieria e munizioni (rispetto a velivoli da combattimento, portaerei, ecc., che richiedono meno tungsteno).

Mentre la Cina si prepara ad aprire una enorme miniera di tungsteno in Kazakistan, Almonty è pronta a “spostare sostanzialmente la politica legata alla sicurezza del tungsteno” quando la miniera Sangdong del Progetto Almonty Korea Tungsten entrerà in funzione entro pochi mesi. Quando inizierà la produzione, sarà una delle più grandi miniere di tungsteno al mondo, rappresentando il 30% dell’approvvigionamento non cinese.
Lewis Black, direttore, presidente e amministratore delegato di Almonty Industries

Almonty dovrebbe iniziare a produrre tungsteno dalla miniera coreana all’inizio o a metà del 2025.

Grazie alla sua posizione strategica come praticamente l’unico grande fornitore in Occidente, ad Almonty è stato offerto un prezzo garantito da Plansee. Plansee è un produttore di metalli ad alte prestazioni e uno dei maggiori clienti di Almonty, nonché proprietario del 15% dell’azienda.

Il prezzo minimo garantito era di $235/MTU (unità di tonnellata metrica), senza soglia superiore. Poiché la miniera di Sangdong punta a costi di cassa di $110/MTU, ciò dovrebbe garantire virtualmente un alto margine di profitto per il progetto.

Con una tempistica fortunata, quasi perfetta, tra la prossima apertura di Sangdong e una nuova guerra commerciale tra l’America di Trump e la Cina, il prezzo delle azioni ha reagito fortemente e è aumentato del 40% in soli 2 giorni dopo l’annuncio della restrizione all’esportazione di tungsteno dalla Cina.

Man mano che il tungsteno diventa sempre più importante per le applicazioni ad alta tecnologia, così come per le tensioni geopolitiche, una fornitura di tungsteno alta, sicura e non cinese è destinata a generare un premio stabile, con Almonty tra i principali beneficiari.

Riferimento allo studio:

^{1. Christean Nickel et al. (2025)  Self-optimizing Cobalt Tungsten Oxide Electrocatalysts toward Enhanced Oxygen Evolution in Alkaline Media. Angewandte Chemie. 05 febbraio 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202424074} 

 ^{2. Hu Zhao, et al. (2024) Solar-driven sewage sludge electroreforming coupled with biological funnelling to cogenerate green food and hydrogen. Nature Water. Volume 2, pagine 1102–1115. https://doi.org/10.1038/s44221-024-00329-z}