Un idrogeno sempre più verde / An ever greener hydrogen

Un idrogeno sempre più verde / An ever greener hydrogen

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Complesso molecolare di rutenio che promuove l’evoluzione di idrogeno / Molecular complex of ruthenium that promotes the evolution of hydrogen

Ricercatori dell’Istituto di chimica dei composti organometallici del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Iccom) in collaborazione con l’ETH di Zurigo, a partire da un complesso organometallico di rutenio, hanno realizzato una cella elettrolitica per la produzione di idrogeno verde dall’acqua. Le ricadute della ricerca riguardano sia la chimica fondamentale che nuove prospettive per la produzione sostenibile di idrogeno. I risultati dello studio sono stati pubblicati su Chemical Science.

Ricercatori dell’Istituto di chimica dei composti organometallici del Consiglio nazionale delle ricerche in collaborazione con l’ETH di Zurigo hanno scoperto che la produzione di idrogeno verde dall’acqua può essere promossa da singoli atomi di rutenio. I ricercatori hanno dimostrato per la prima volta che un complesso organometallico dinucleare di rutenio è un attivo catalizzatore per la generazione di idrogeno in una cella elettrolitica a membrana polimerica (PEM). L’apparato realizzato su piccola scala di laboratorio produce 28 litri di H₂ (diidrogeno) per grammo di rutenio al minuto.  In sette giorni di attività non si registrano fenomeni di degradazione del catalizzatore. Al momento l’efficienza non è paragonabile ad un sistema commerciale, ma rappresenta una proof of concept per una nuova classe di elettrolizzatori. La ricerca è stata recentemente pubblicata sulla rivista Chemical Science.
Attualmente il 95% dell’idrogeno è ottenuto da processi che impiegano fonti fossili. Solo il 5% proviene da fonti rinnovabili. Il paradigma per la generazione di idrogeno verde è l’accoppiamento della generazione di energia elettrica rinnovabile con l’elettrolisi dell’acqua (processo elettrolitico nel quale il passaggio di corrente elettrica causa la scomposizione dell'acqua in ossigeno ed idrogeno gassoso). Tuttavia, l’elettrolisi dell’acqua presenta importanti ostacoli. In particolare, le tecnologie degli elettrolizzatori più performanti impiegano quantità ingenti di platino e di iridio, entrambi presenti nella lista dei Critical Raw Materials (CRM), ovvero materiali a rischio di approvvigionamento. Sulla base dell’attuale catena di approvvigionamento i metalli del gruppo del platino limiterebbero la produzione di elettrolizzatori a membrana polimerica a circa 6-7 GW anno, contro i 100 GW annui previsti dalle roadmap di decarbonizzazione al 2030. La ricerca è quindi orientata ad eliminare tali materiali od a ridurne la quantità impiegata, aumentandone la durabilità e la riduzione dei costi dei dispositivi.

“Nel nostro esperimento il contenuto metallico dell’elettrodo catodico è meno della metà rispetto al platino presente negli elettrolizzatori più performanti noti nello stato dell’arte. Ogni singolo atomo è coinvolto nella reazione di evoluzione di idrogeno, a differenza di quanto avviene con le nanoparticelle nelle quali solo gli atomi della superficie, e non tutti, partecipano alla reazione. Questo si traduce in un carico metallico più basso a parità di idrogeno prodotto”, spiega Francesco Vizza del Cnr-Iccom e coordinatore dello studio.

Le implicazioni della ricerca riguardano sia la chimica fondamentale della reattività di piccole molecole come l’acqua, che nuove prospettive per la produzione sostenibile di idrogeno verde. “Il meccanismo di evoluzione di idrogeno proposto sarà utile alla comunità scientifica per la progettazione di catalizzatori su scala atomica e dispositivi elettrocatalitici migliorati. Il passo successivo sarà lo studio dei complessi molecolari stabilizzati da metalli non costosi e largamente disponibili in natura”, conclude Vizza.

ENGLISH

Researchers of the Institute of Chemistry of Organometallic Compounds of the National Research Council (Cnr-Iccom) in collaboration with the ETH of Zurich, starting from an organometallic complex of ruthenium, have created an electrolytic cell for the production of green hydrogen from water. The implications of the research concern both fundamental chemistry and new perspectives for the sustainable production of hydrogen. The results of the study were published in Chemical Science.

Researchers from the Institute of Chemistry of Organometallic Compounds of the National Research Council in collaboration with ETH Zurich have found that the production of green hydrogen from water can be promoted by single ruthenium atoms. Researchers demonstrated for the first time that a ruthenium dinuclear organometallic complex is an active catalyst for hydrogen generation in a polymer membrane electrolytic cell (PEM). The apparatus built on a small laboratory scale produces 28 liters of H2 (dihydrogen) per gram of ruthenium per minute. In seven days of activity there are no phenomena of degradation of the catalyst. At the moment, the efficiency is not comparable to a commercial system, but it represents a proof of concept for a new class of electrolysers. The research was recently published in the journal Chemical Science.

Currently 95% of hydrogen is obtained from processes that use fossil sources. Only 5% comes from renewable sources. The paradigm for the generation of green hydrogen is the coupling of the generation of renewable electricity with the electrolysis of water (electrolytic process in which the passage of electric current causes the decomposition of water into oxygen and gaseous hydrogen). However, the electrolysis of water presents important obstacles. In particular, the technologies of the most performing electrolysers use large quantities of platinum and iridium, both of which are on the list of Critical Raw Materials (CRM), or materials at risk of supply. Based on the current supply chain, platinum group metals would limit the production of polymer membrane electrolysers to around 6-7 GW per year, against the 100 GW per year forecast by the decarbonization roadmap by 2030. Research is therefore aimed at eliminating these materials or to reduce the quantity used, increasing their durability and reducing the costs of the devices.

"In our experiment, the metal content of the cathode electrode is less than half compared to the platinum present in the best performing electrolyzers known in the state of the art. Every single atom is involved in the hydrogen evolution reaction, unlike what happens with nanoparticles in which only the atoms on the surface, and not all of them, participate in the reaction. This translates into a lower metal load for the same amount of hydrogen produced ”, explains Francesco Vizza of Cnr-Iccom and coordinator of the study.

The implications of the research concern both the fundamental chemistry of the reactivity of small molecules such as water, and new perspectives for the sustainable production of green hydrogen. “The proposed hydrogen evolution mechanism will be useful to the scientific community for the design of atomic-scale catalysts and improved electrocatalytic devices. The next step will be the study of molecular complexes stabilized by inexpensive metals and widely available in nature ”, concludes Vizza.

Da:

https://www.lescienze.it/news/2022/03/31/news/un_idrogeno_sempre_piu_verde-9074202/?fbclid=IwAR2IMG8o3oulqyNiZ0aTVX46Fq1sul9iD4v1HppzPStfZuVHo5HMl9OP4Ek