Scoperti nuovi percorsi per produrre idrogeno in modo più efficiente

Trovare il catalizzatore di idrogeno giusto

In teoria, l’idrogeno potrebbe essere un combustibile adatto ad accumulare energia e ad alimentare applicazioni difficili da elettrificare, grazie ad alcune caratteristiche particolarmente favorevoli:

• Il prodotto della sua combustione è principalmente acqua
  • Lo stesso vale quando viene utilizzato per produrre elettricità nelle celle a combustibile.
• Può raggiungere temperature di combustione elevate, risultando una possibile alternativa al gas naturale nella metallurgia e in alcuni processi chimici.
• L’elettrolisi richiede acqua ed energia elettrica; il suo impatto dipende dalla fonte di tale energia.
• L’idrogeno non è tossico, ma è altamente infiammabile e il suo impatto climatico dipende dal metodo di produzione e dalle eventuali perdite.

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 i fanghi di depurazione in idrogeno a basse emissioni 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.

«La particolarità del nostro catalizzatore è che migliora le proprie prestazioni nel tempo, mentre i catalizzatori convenzionali le mantengono costanti o possono perderne una parte a causa di una durata insufficiente»
Dott.ssa Dandan Gao — responsabile della ricerca presso la Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Catalisi al 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

«La scissione dell’acqua comprende due reazioni: la reazione di evoluzione dell’idrogeno (HER), che produce idrogeno gassoso, e la reazione di evoluzione dell’ossigeno (OER), che produce ossigeno. L’OER è il collo di bottiglia dell’intero processo; per questo lavoriamo a un catalizzatore capace di favorire questa semireazione»
Dott.ssa Dandan Gao — responsabile della ricerca presso la Johannes Gutenberg-Universität 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 deposizione in un solo passaggio

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 deposizione chimica 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.

Le analisi hanno inoltre confermato che il catalizzatore è saldamente legato al substrato di rame.

«Lo sviluppo di metodi di deposizione praticabili e scalabili è di grande importanza tecnologica, economica ed ecologica, perché consente di ancorare stabilmente i precatalizzatori OER a substrati promettenti dotati di elevata integrità meccanica»
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 di tungsteno passano dallo stato W5+ allo stato W6+.

Di conseguenza, nel tempo, l’attività elettrochimica del catalizzatore si sposta progressivamente dai siti del tungsteno a quelli 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.

«Nel complesso abbiamo registrato sovrapotenziali nettamente inferiori e densità di corrente maggiori, accompagnati da un sostanziale aumento della cinetica OER. Sono tutti risultati positivi per la futura produzione di idrogeno»
Dott.ssa Dandan Gao — responsabile della ricerca presso la Johannes Gutenberg-Universität 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 molto 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.

Produrre idrogeno dai fanghi di depurazione

Gestire i fanghi urbani

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 sui fanghi 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 fanghi 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 i fanghi 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 dei fanghi a emissioni molto inferiori rispetto ai metodi convenzionali, poiché evita gran parte delle emissioni derivanti dal normale trattamento dei fanghi 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 nei fanghi 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 nei fanghi di depurazione.

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

«Ci auguriamo che il metodo proposto dimostri la possibilità di gestire i rifiuti in modo sostenibile e cambi la percezione dei fanghi di depurazione: da scarto a risorsa preziosa per l’energia pulita e la produzione alimentare sostenibile»
Dott. Zhao Hu, ricercatore presso la Nanyang Technological University

Oltre a questa alta efficienza, rimuove inoltre i metalli pesanti dai fanghi, 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, potenzialmente recuperabili in una fase successiva, 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.

Un’azienda esposta al 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 materiale superconduttore in specifiche strutture bidimensionali ritorte.

Puoi leggere una panoramica tecnica e di investimento su questa risorsa in “Tungsteno: il metallo high-tech poco conosciuto”.

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 equipaggiamenti militari convenzionali 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 disponibilità ampia e sicura di tungsteno 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}