Catalizzatore di Idrogeno senza Platino: Un Balzo Avanti nella Tecnologia dell’Energia Pulita

Una transizione verso l’energia pulita sta avvenendo in tutto il mondo poiché la crescente crisi climatica crea un’esigenza urgente di decarbonizzare i sistemi energetici. 

A differenza dei combustibili fossili come carbone e petrolio, le fonti di energia pulita non rilasciano enormi quantità di gas serra (GHG) come metano, CO2, protossido di azoto o altri inquinanti durante la loro produzione, contribuendo a un ambiente più sano.

Curiosamente, l’energia pulita può provenire da fonti rinnovabili come il sole, che è costantemente rinnovato e disponibile in tutto il pianeta, così come fonti non rinnovabili come l’energia nucleare, che utilizza risorse finite (uranio).

Rispetto ai loro equivalenti a combustibili fossili, le fonti di energia pulita hanno anche costi di manutenzione e operativi più bassi, il che consente prezzi più stabili per i consumatori.

Con ciò, l’industria dell’energia pulita sta crescendo rapidamente, con investimenti in tecnologie cleantech che riducono l’impatto ambientale e promuovono la sostenibilità, raggiungendo un record di 71 miliardi di dollari nel Q3 2024, secondo Deloitte. 

Ora, per quanto riguarda le fonti di energia pulita, ecco le più importanti:

1. Solare – La radiazione solare è utilizzata qui sfruttando tecnologie come i pannelli fotovoltaici (PV) che convertono la luce solare direttamente in elettricità. Nel 2024, la capacità solare globale è aumentata significativamente, aggiungendo una notevole capacità di 593 GW di PV solare. 
2. Eolico – L’energia cinetica del vento viene convertita in elettricità tramite turbine. A seconda della posizione delle turbine, può essere di due tipi: energia eolica onshore, dove i parchi eolici sono situati sulla terra, ed energia eolica offshore, dove i parchi eolici sono situati in mare.
3. Idroelettrico – L’energia cinetica dell’acqua corrente è utilizzata per generare elettricità, principalmente tramite dighe e turbine. L’energia idroelettrica contribuisce per circa 15% alla generazione totale di elettricità. 
4. Geotermica – Questo tipo di energia viene sfruttato attraverso il calore interno della Terra ed è ottenuto tramite centrali geotermiche situate in serbatoi sotterranei.  
5. Biomassa – Qui, materia organica come scarti agricoli e residui forestali viene sfruttata. 
6. Nucleare  – È l’energia di un atomo con potenza ottenuta dalla fissione nucleare e dalla fusione nucleare. Secondo il sondaggio di Deloitte su energia e utilities, le tecnologie nucleari avanzate giocheranno il ruolo più importante nel soddisfare la crescente domanda di energia nei prossimi anni.
7. Idrogeno – L’idrogeno è prodotto da varie risorse e, quando consumato in una cella a combustibile, produce solo acqua. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) ha destinato 7 miliardi di dollari per sviluppare hub di idrogeno.

Idrogeno come Combustibile Pulito Potente

Il primo elemento della tavola periodica, l’idrogeno (H), è una sostanza gassosa incolore, inodore, insapore, altamente combustibile e non tossica. È anche l’elemento più semplice, più leggero e più abbondante.

Ma ciò che lo rende estremamente attraente è il fatto che, quando bruciato, l’idrogeno produce solo vapore acqueo. Quando prodotto usando energia rinnovabile, in particolare, l’idrogeno verde può aiutare a decarbonizzare settori come i trasporti e la generazione di energia.

Nel contesto delle crescenti esigenze energetiche della società, l’idrogeno offre una fonte di energia pulita altamente efficiente che può potenzialmente essere prodotta da varie fonti. È in realtà un vettore energetico che può essere usato per trasportare, immagazzinare e fornire energia prodotta da altre fonti.

Ora, i modi più comuni per produrre combustibile a base di idrogeno sono:

1. Processo Termico – Prodotto usando un processo ad alta temperatura chiamato reforming a vapore, l’idrogeno viene generato quando il vapore reagisce con combustibili idrocarburici come gas naturale, diesel, carbone gassificato, biomassa gassificata e combustibili liquidi rinnovabili.
2. Processo Elettrolitico – L’acqua (H2O) viene separata in ossigeno e idrogeno mediante una corrente elettrica. Il processo avviene all’interno di un elettrolizzatore, dove l’elettricità attraversa l’acqua, facendo separare le molecole.
3. Processo a Energia Solare – La luce è usata per produrre idrogeno e comprende diversi approcci, come fotobiologico, fotoelettrochimico e termochimico solare. 
4. Processo Biologico – L’idrogeno è prodotto attraverso reazioni biologiche usando microrganismi come batteri e microalghe.

Ora, l’idrogeno ha un potenziale molto elevato per soddisfare le esigenze di energia pulita della società, ma il problema è che ci sono ancora sfide da superare. Queste sfide includono la produzione di massa, il trasporto e lo stoccaggio. Inoltre, la produzione di idrogeno deve essere stabile ed economica.

La reazione di evoluzione dell’idrogeno (HER) è considerata il metodo di produzione di idrogeno più ecologico e sostenibile. È una reazione catodica che coinvolge l’elettrolisi dell’acqua. 

In questo processo elettrochimico di scissione dell’acqua, elementi come platino, nichel e altri metalli di transizione sono usati come catalizzatori che riducono i protoni a gas idrogeno.

Il problema qui nasce dal metallo più comunemente usato per i catalizzatori, il platino, che, pur offrendo prestazioni catalitiche altamente efficienti, presenta problemi di rarità e costo. Pertanto, c’è un’attenzione crescente verso catalizzatori alternativi per ridurre il consumo di metalli preziosi.

Il Ruolo del Platino nella Pulizia dell’Idrogeno

Un metallo brillante, di colore bianco-argenteo, che a volte viene scambiato per argento, il platino (Pt) è fondamentale per raggiungere l’obiettivo di emissioni nette zero. Questo metallo denso, malleabile e lucente è altamente inerte e resistente alla corrosione, anche ad alte temperature.

Tuttavia, è un metallo estremamente raro, più di 30 volte più raro dell’oro, presente a una concentrazione di solo 0,005 ppm nella crosta terrestre. Come metallo scarso, il platino è difficile e costoso da estrarre, il che comporta un prodotto finale più costoso.

Il metallo è principalmente estratto in Sudafrica, che fornisce oltre il 70% delle forniture globali di platino, insieme a Russia, Zimbabwe, Canada e Stati Uniti.

Per quanto riguarda gli usi, il platino è usato per realizzare gioielli, ma soprattutto è impiegato in componenti elettronici e convertitori catalitici per ridurre le emissioni dei trasporti. Nel 2022, circa 85 tonnellate del metallo sono state utilizzate solo per i convertitori catalitici. Sta inoltre emergendo come minerale critico nella transizione energetica globale. 

Il metallo è particolarmente prezioso negli elettrolizzatori, che sono di vari tipi, ma gli sviluppatori di progetti idrogeno preferiscono l’elettrolisi a membrana a scambio protonico (PEM). Un’alternativa più efficiente all’elettrolisi alcalina, gli elettrolizzatori PEM usano platino per creare catalizzatori ad altissime prestazioni.

Il platino è anche usato nelle celle a combustibile PEM, che operano come gli elettrolizzatori PEM ma al contrario. Invece di separare idrogeno e ossigeno, li combina usando il platino come catalizzatore.

Le celle a combustibile a idrogeno sono costituite da due elettrodi — un anodo (elettrodo negativo) e un catodo (elettrodo positivo) con un elettrolita che separa i due. Un catalizzatore, che è uno strato di metallo come il platino, all’anodo divide le molecole di idrogeno in protoni ed elettroni, che si muovono verso il catodo per creare un flusso di elettricità.

L’eccellente conduttività e stabilità chimica del platino sono ciò che lo rende così altamente efficiente come catalizzatore. La sua efficienza è fondamentale per raggiungere alti tassi di conversione energetica nelle celle a combustibile, permettendo loro di competere con le fonti energetiche tradizionali. 

Man mano che la necessità di decarbonizzazione continua a crescere, la domanda di platino dovrebbe aumentare grazie alle tecnologie PEM a base di platino che vantano il potenziale di realizzare una riduzione dell’11% delle emissioni globali di anidride carbonica.

Pertanto, c’è un’attenzione crescente su questo metallo in tutto il mondo. Negli Stati Uniti, l’Inflation Reduction Act include un beneficio fiscale per l’idrogeno a basse emissioni di carbonio con l’obiettivo di accelerare la produzione di idrogeno pulito e l’adozione di veicoli elettrici a celle a combustibile. Il REPowerEU della Commissione Europea, nel frattempo, mira a raddoppiare la sua capacità di idrogeno pulito a 80 GW entro il 2030.

Questo impulso globale, secondo il World Platinum Investment Council, può rendere la produzione di idrogeno pulito la più grande fonte (35%) della domanda di platino entro il 2040.

Oltre alle dinamiche sbilanciate di domanda-offerta, l’uso di metalli preziosi come il platino comporta ulteriori sfide, come costi elevati, potenziale degradazione e preoccupazioni ambientali. Di conseguenza, i ricercatori hanno lavorato continuamente su modi per eliminare il platino come catalizzatore per l’idrogeno e trovare alternative migliori.

Clicca qui per saperne di più su come investire nel Platino.

Realizzare Catalizzatori senza Platino

Nella ricerca di idrogeno senza platino, i ricercatori dell’UNSW Sydney stanno condurre uno studio per affrontare le problematiche associate all’uso del metallo prezioso nelle celle a combustibile a idrogeno. 

I ricercatori hanno sviluppato una nuova tecnica per capire perché alcuni materiali catalitici hanno meno stabilità rispetto al Pt, il che aiuterà altri ricercatori a sviluppare nuovi materiali e a migliorare le prospettive future dei catalizzatori senza platino nelle celle a combustibile a idrogeno.

Le tecniche sviluppate hanno rivelato che fino al 75% dei siti attivi a base di ferro nella cella a combustibile è diventato inattivo nelle prime 10 ore di funzionamento. Ciò è stato principalmente dovuto alla perdita dei siti attivi di ferro, con la corrosione del carbonio come altra causa. 

In uno separato studio¹, i ricercatori dell’Università del Wisconsin-Madison, della Cornell University e dell’Università di Wuhan hanno scoperto un nuovo modo di catalizzare la reazione per realizzare celle a combustibile a idrogeno.

I ricercatori hanno usato il nichel, un metallo economico e non prezioso, per gli elettrodi del catodo e dell’anodo della cella a combustibile. L’elettrocatalizzatore a base di nichel è stato progettato con un guscio di 2 nanometri realizzato in carbonio dopato con azoto.

L’incorporazione di singoli atomi di nichel in una guaina simile al grafene composta da atomi di carbonio e azoto li ha resi resistenti all’ossidazione e ha legato gli atomi di idrogeno con la forza ideale necessaria per una reazione di ossidazione dell’idrogeno (HOR) efficace.

Così, con un catalizzatore d’anodo costituito da un nucleo solido di nichel avvolto in un guscio di carbonio e un catodo di cobalto-manganese, i ricercatori hanno creato una cella a combustibile a idrogeno priva di metalli preziosi con una potenza superiore a 200 mW/cm².

Nel 2020, gli scienziati del Argonne National Laboratory del DOE hanno scoperto e sviluppato il più promettente catalizzatore senza platino per le celle a combustibile a idrogeno che si basano sulla reazione di riduzione dell’ossigeno (ORR). Era basato su ferro, azoto e carbonio, mescolati e riscaldati tra 900 e 1100 gradi Celsius in pirolisi.

Successivamente, gli atomi di ferro del materiale sono stati legati a atomi di azoto e incorporati nel grafene. Qui, ogni atomo di ferro costituisce un sito in cui può avvenire la ORR, rendendo così l’elettrodo più efficiente.

Nel contesto di questo crescente interesse nel ridurre la dipendenza dal costoso platino e migliorare l’efficienza e il rapporto costo-beneficio delle celle a combustibile a idrogeno e dell’elettrolisi, gli scienziati hanno ora sviluppato un catalizzatore a nanosheet a base di palladio la cui prestazione è pari a quella del platino nella produzione di idrogeno.

Palladio come Alternativa al Platino per un Idrogeno Accessibile

L’ultimo studio proviene dai ricercatori della Tokyo University of Science (TUS) che hanno sviluppato un nuovo catalizzatore per l’evoluzione dell’idrogeno, nanosheet di coordinazione bis(diimino)palladio (PdDI).

Il palladio è un metallo brillante, argentato, e uno dei metalli del gruppo del platino più abbondanti, con una densità molto inferiore a quella del platino.

L’uso del palladio, che offre un’efficienza simile al platino a una frazione del costo, apre la strada a una produzione di idrogeno accessibile e sostenibile per accelerare la rivoluzione dell’energia pulita. 

Guidato dal Professor Hiroshi Nishihara e dal Dott. Hiroaki Maeda della TUS in collaborazione con ricercatori di altri istituti, lo studio segna una svolta nella tecnologia della reazione di evoluzione dell’idrogeno (HER).

Gli elettrodi del catalizzatore HER facilitano la conversione di H, prodotto sulla superficie dell’elettrodo durante la scissione dell’acqua, in gas idrogeno (H2). Per superare le limitazioni del Pt che ne restringono l’applicazione su larga scala come catalizzatore HER, il team offre un’alternativa altamente efficiente ai catalizzatori di platino usando un processo di sintesi semplice.

Il team ha creato nanosheet a base di palladio che hanno la capacità di raggiungere un’elevata attività catalitica con un uso ridotto di metalli preziosi, il che riduce significativamente i costi di produzione dell’H2.

Come ha osservato il Dott. Maeda, “sviluppare elettrocatalizzatori HER efficienti è fondamentale per una produzione sostenibile di H2” e “I nanosheet di coordinazione bis(diimino)metal, con la loro alta conduttività, ampia superficie e trasferimento elettronico efficiente, sono candidati promettenti.” Oltre a queste proprietà, la disposizione sparsa del metallo nei nanosheet riduce l’uso del materiale.

I nanosheet PdDI, ovvero E-PdDI e C-PdDI, sono stati sviluppati con successo usando due metodi diversi:

1. Ossidazione elettrochimica
2. Sintesi interfaciale gas-liquido

Una volta attivati, i fogli E-PdDI hanno dimostrato un basso sovrappotenziale di 34 mV, il che significa che è necessaria poca energia aggiuntiva per la produzione di idrogeno. Non solo corrisponde al sovrappotenziale del platino, che è 35 mV, ma anche alle prestazioni catalitiche del metallo prezioso con una densità di corrente di scambio di 2,1 mA/cm².

Le “prestazioni notevoli” superano non solo quelle degli elettrodi in Pd metal ma anche quelle dei nanosheet MDI (M=Ni, Co, Cu) convenzionali, ha osservato lo studio, aggiungendo che queste prestazioni eccezionali sono state raggiunte nonostante l’uso di quantità molto piccole di metalli preziosi.

Con questi risultati, E-PdDI rappresenta il catalizzatore HER più efficiente sviluppato finora, rendendolo una promettente alternativa a basso costo al platino.

Per quanto riguarda la stabilità a lungo termine, che è uno degli aspetti critici di qualsiasi catalizzatore, i nanosheet PdDI hanno anche mostrato un’eccellente durabilità. Sono rimasti intatti dopo 12 ore in condizioni acide, convalidando la loro applicabilità per sistemi di produzione di idrogeno nel mondo reale.

“La nostra ricerca ci avvicina di un passo alla produzione di H2 più accessibile e sostenibile, un passo cruciale per raggiungere un futuro di energia pulita.”

– Dott. Maeda

Riducendo la dipendenza dal platino scarso e costoso, i nanosheet di coordinazione bis(diimino)palladio (PdDI) sono anche in linea con gli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile (SDG) delle Nazioni Unite, promuovendo energia accessibile e pulita così come innovazione e infrastrutture. 

È importante notare che lo studio non è limitato a esperimenti di laboratorio. L’efficacia dei costi, la scalabilità e l’attività migliorata dei nanosheet PdDI li rendono estremamente utili in sistemi di stoccaggio energetico su larga scala, celle a combustibile a idrogeno e produzione industriale di idrogeno.

Inoltre, PdDI potrebbe ridurre le emissioni legate all’estrazione associate ai catalizzatori a base di platino, accelerando la transizione verso un’economia dell’idrogeno sostenibile. Il prossimo passo per il team della TUS è ottimizzare i nanosheet PdDI per l’uso nel mondo reale.

Clicca qui per saperne di più su come investire nel Palladio

Aziende Innovative Investibili 

Diamo ora uno sguardo a un nome di spicco nel settore che sta contribuendo a far progredire le tecnologie di energia pulita, inclusi lo sviluppo di catalizzatori di idrogeno senza platino.

Plug Power Inc.

L’azienda con una capitalizzazione di mercato di 1,54 miliardi di dollari è specializzata in sistemi di celle a combustibile a idrogeno e ha condotto ricerche su catalizzatori non a base di platino per ridurre i costi e migliorare l’efficienza.

Al momento della stesura, le azioni PLUG sono quotate a 1,71 $, in calo del 21,6% YTD. Il suo EPS (TTM) è -2,54 e il P/E (TTM) è -0,65.

Per il Q4 2024, Plug Power (PLUG ) ha riportato $191,5 milioni di fatturato e una perdita di margine lordo del 122%, mentre il flusso di cassa operativo è migliorato del 46% su base annua. Ha chiuso l’anno con oltre 200 milioni di dollari di liquidità non vincolata. L’azienda ha recentemente chiuso un programma di garanzia di prestito DOE da 1,66 miliardi di dollari. 

Durante questo periodo, il business degli elettrolizzatori di Plug Power ha continuato a crescere e il business dell’idrogeno si è rafforzato.

“Il 2024 è stato un anno di forte esecuzione e di progressi strategici significativi per Plug mentre avanzavamo le nostre iniziative e facevamo passi avanti nel promuovere l’economia dell’idrogeno.”

– CEO Andy Marsh

Ultime Notizie su Plug Power

Conclusione

Con la popolazione mondiale che cresce rapidamente, e si prevede che raggiungerà circa 10,3 miliardi entro la metà degli anni 2080, il problema delle emissioni di gas serra diventerà ancora più grave. Questo crea la necessità di ridurre la nostra dipendenza dall’energia da combustibili fossili e adottare fonti energetiche che siano pulite, più sicure, abbondanti e rispettose dell’ambiente.

Qui, l’energia dell’idrogeno è emersa come un motore chiave per un futuro pulito e sostenibile, offrendo un’alternativa a zero emissioni ai combustibili fossili. Sebbene promettente, la produzione su larga scala di idrogeno dipende fortemente da costosi catalizzatori a base di platino, il che rende il costo una grande sfida per l’industria.

Sostituendo il prezioso metallo Pt con nanosheet PdDI, l’ultimo studio ha raggiunto una svolta nella produzione a costi contenuti di elettrodi e ha prodotto ottimi risultati nei settori di fornitura di elettrodi, produzione di idrogeno e automobilistico.

Clicca qui per un elenco delle principali azioni di energia pulita con focus ambientale. 

Studi Citati:

1. Gao, Y., Yang, Y., Schimmenti, R., Murray, E., Peng, H., Wang, Y., Ge, C., Jiang, W., Wang, G., DiSalvo, F. J., Muller, D. A., Mavrikakis, M., Xiao, L., Abruña, H. D., & Zhuang, L. (2022). Una cella a combustibile alcalina completamente priva di metalli preziosi con prestazioni migliorate usando un anodo di nichel rivestito di carbonio. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119(13), e2119883119. https://doi.org/10.1073/pnas.2119883119

2. Maeda, H., Phua, E. J. H., Sudo, Y., Nagashima, S., Chen, W., Fujino, M., Takada, K., Fukui, N., Masunaga, H., Sasaki, S., Tsukagoshi, K., & Nishihara, H. (2024). Sintesi di Nanosheet di Bis(diimino)palladio come Elettrocatalizzatori Altamente Attivi per l’Evoluzione dell’Idrogeno. Chemistry – A European Journal. https://doi.org/10.1002/chem.202403082