Sviluppato un nuovo catalizzatore sostenibile al nichel-indio

L'idrogeno è uno degli elementi chiave della transizione verde di tutto il settore energetico. Infatti, all'interno di un sistema energetico integrato che sfrutta solo energie rinnovabili, l'idrogeno permette di accumulare e trasportare l'energia senza l'emissione di gas serra ed inquinanti. Per facilitare questa transizione sono ormai in corso da anni iniziative con importanti finanziamenti, come i progetti Horizon Europe al livello europeo e PNRR per quanto riguarda l'Italia. Il passaggio ad un'economia basata sull'idrogeno verde non risponde però solo ad esigenze di tipo ambientali e di sostenibilità, ma anche alla crescente fragilità degli attuali mercati dell'energia favorendo la creazione di un sistema energetico più locale e più resiliente.

Tra i possibili candidati come fonti sostenibili di idrogeno, la biomassa, soprattutto quella derivata dal settore agro-industriale, è certamente uno dei migliori per via della sua abbondanza e perché permette di valorizzare materiale che altrimenti sarebbe scartato. Al contrario delle fonti fossili quali il gas naturale, l'utilizzo di biomassa come fonte di idrogeno è complesso e richiede lo sviluppo di nuove soluzioni sia di tipo ingegneristico che di chimica di base del processo. Il motivo principale risiede nella natura molto variabile della biomassa, per esempio piante diverse avranno composizione e struttura diverse,  e nella forte tendenza a formare depositi carboniosi che col tempo ricoprono i catalizzatori limitandone così il loro tempo di vita. Uno "spegnimento" precoce dei catalizzatori comporta la necessità, laddove possibile, di riattivarli più spesso rendendo quindi l'intero processo poco vantaggioso dal punto di vista economico soprattutto se confrontato ai tradizionali processi a base di fonti fossili.

Proprio su questo tema, un gruppo di ricerca coordinato dall'Istituto di scienze e tecnologie chimiche "Giulio Natta" del Consiglio nazionale delle ricerche di Milano (Cnr- Scitec) ha sviluppato un innovativo catalizzatore a base di nichel e indio in grado di convertire composti derivati dalla biomassa in idrogeno verde con una stabilità finora ottenibile solo con catalizzatori a base di metalli nobili, come il rodio o il platino, molto stabili ma dal costo molto elevato. Ai prezzi attuali di mercato, il costo di nichel ed indio è infatti di ordini di grandezza inferiore rispetto ai metalli nobili. E nonostante il nome esotico, l'indio è già ampiamente utilizzato ad esempio in tantissimi dispositivi elettronici, ed è relativamente comune tanto che l'Unione Europea non lo considera un materiale critico. Il passaggio a catalizzatori a base di metalli poco costosi non solo rappresenta quindi un significativo vantaggio per l'economia del processo di produzione di idrogeno verde, ma riduce anche la dipendenza da materiali rari e costosi.

Allo studio, pubblicato sulla rivista Applied Catalysis B: Environment and Energy, hanno preso parte anche altri Istituti di ricerca del Cnr - l'Istituto di chimica dei composti organometallici (Cnr-Iccom) e l'Istituto per i processi chimico-fisici (Cnr-Ipcf), entrambi con sede a Pisa, l'Università di Pavia e lo European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) di Grenoble, in Francia. Lo sviluppo di questo catalizzatore è stato reso possibile grazie alla forte collaborazione tra tutti i soggetti coinvolti ed è stato svolto all'interno di progettualità dedicate allo sviluppo di tecnologie dell'idrogeno come i progetti "MASE - POR H2 AdP Research and development on hydrogen", finanziato da EU PNRR e "MASE - Mission Innovation POA 2021-2023 - Hydrogen Demo Valley: Infrastrutture Polifunzionali Per La Sperimentazione e Dimostrazione delle Tecnologie dell'idrogeno".

Mediante l'utilizzo di sofisticate analisi che sfruttano raggi X da luce di sincrotrone raccolte mentre il catalizzatore era in funzione producendo idrogeno, e grazie anche all'utilizzo di strumenti di calcolo avanzati e di modelli predittivi, è stato possibile capire il ruolo svolto dall'indio nel sopprimere la deposizione di depositi carboniosi sulla superficie del catalizzatore. Brevemente, l'indio forma uno strato protettivo a ricoprimento del nichel che respinge i materiali carboniosi che si formano durante il processo di estrazione dell'idrogeno dalla biomassa, permettendo così al nichel di produrre più idrogeno e al catalizzatore di lavorare per più tempo.

"Lo sviluppo di catalizzatori privi di materiali critici o preziosi ma con elevata stabilità per reazioni di produzione di idrogeno sostenibile da biomassa è di fondamentale importanza per gli sforzi di decarbonizzazione del settore energetico. Il Cnr, grazie allo stretto lavoro di tre suoi Istituti e alla collaborazione con università italiane e centri di ricerca europei, è ancora una volta in prima linea con importanti risultati in questo campo" commenta il coordinatore dello studio, Filippo Bossola, ricercatore di Cnr-Scitec.

I risultati di questo studio sono stati ottenuti utilizzando composti derivanti dalla biomassa ma l'applicazione di catalizzatori al nichel-indio è estendibile anche ad altre materie prime o seconde quali il gas naturale o biogas. Viste le diverse realtà industriali sia a livello europeo ma soprattutto a livello nazionale che hanno rilevanti scarti agroindustriali e/o producono biogas, l'implementazione di processi per la produzione di idrogeno mediante l'uso di catalizzatori poco costosi mal al contempo stabili darà un contributo significativo alla transizione verso un'energia più pulita, sostenibile e meno dipendente dalla volatilità dei mercati e dalla situazione internazionale.