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Idrogeno: produzione sostenibile, ricerca Università di Trieste

    Ricercatori dell’Università di Trieste compiono un ulteriore balzo verso il futuro dell’energiaenergia
    Fisicamente parlando, l’energia è definita come la capacità di un corpo di compiere lavoro e le forme in cui essa può presentarsi sono molteplici a livello macroscopico o a livello atomico. L’unità di misura derivata del Sistema Internazionale è il joule (simbolo J)
    rinnovabile: produzione sostenibile dell’idrogenoidrogeno
    Primo elemento della tavola periodica, presente sulla Terra in forma combinata, soprattutto nell’acqua e nei composti organici. Esso è costituito da 3 isotopi: prozio (cioè l’idrogeno propriamente detto) per più del 99.9 %, il deuterio e il trizio. La forma molecolare dell’idrogeno (H2) dà origine ad un gas inodore, incolore, altamente infiammabile e molto più leggero dell’aria (ecco perché lo si trova in bassissime concentrazioni in atmosfera).

    Il prof Paolo Fornasiero e il dr. Tiziano Montini allungando dei nanobastoncini di biossido di titanio sono stati in grado di produrre più velocemente e in maniera più sostenibile l’idrogeno.

    Idrogeno, ricerche produzione sostenibileProdurre idrogeno e ossigeno dall’acqua può sembrare fantascientifico, ma è l’obiettivo di chimici e ingegneri dei materiali come il professor Paolo Fornasiero e il dr. Tiziano Montini dell’Università di Trieste, dell’Istituto ICCOM-CNR e del Consorzio INSTM. Esperti nel campo della catalisi, e in particolare della fotocatalisi – metodo che usa la luce e un catalizzatore per accelerare reazioni chimiche – i ricercatori hanno mosso un importante passo verso tale traguardo modificando la struttura di un materiale comune, l’ossido di titanio, detto titania, per produrre idrogeno in modo più efficace a partire da composti derivatiderivati
    Prodotti finanziari il cui valore deriva dall’andamento del valore di una determinata attività (definita “sottostante del prodotto derivato”). I derivati vengono utilizzati principalmente con finalità di copertura dal rischio oppure con finalità di speculazione (intesa nel senso di esposizione ad un rischio per ricavare profitto).
    da biomasse.

    Frutto di una pluriennale collaborazione internazionale con le prestigiose università americane UPenn e Drexel di Philadelphia e di Stanford, con l’università di Cadice in Spagna e l’istituto di catalisi di Liebniz, la ricerca ha dimostrato che nano-bastoncini di titania, 1000 volte più piccoli del diametro di un capello, producono idrogeno tanto più velocemente quanto più sono lunghi. Siccome il processo di sintesi di questi piccoli bastoncini è relativamente semplice da riprodurre anche su larga scala, questa scoperta potrebbe avere importanti implicazioni sul futuro dell’energia rinnovabile e della produzione sostenibile di idrogeno.

    La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences.

    «L’idea di base è riuscire a produrre idrogeno da nulla più che la luce del sole, un catalizzatore e dei composti che si possono ottenere dalle biomasse. In questo modo non lo dovremmo produrre da combustibili fossili, il cui sfruttamento ha un notevole impatto sul riscaldamento globale.» – così ci spiega Fornasiero, che ha coordinato la ricerca assieme al collega americano Christopher B. Murray della UPenn. «Se potessimo ottenere l’idrogeno in modo davvero rinnovabile e sostenibile, allora entreremmo in una nuova era energetica

    Il concetto è semplice: la titania assorbe la luce del sole e sfrutta l’energia immagazzinata per generare idrogeno attraverso una reazione chimica. Tuttavia, i veicoli di questa trasformazione energetica, ovvero elettroni e buche, avendo carica opposta, tendono ad attrarsi e reagire gli uni con gli altri anziché concorrere alla reazione chimica desiderata.

    Elettroni e buche hanno ruoli diversi nella reazione: i primi, carichi negativamente, prendono parte a reazioni di riduzione, mentre le buche, cariche positivamente, compiono reazioni di ossidazione. «L’obiettivo finale è che gli elettroni riducano l’acqua a idrogeno, mentre le buche la ossidino a ossigeno.» dice Montini.

    Per evitare che elettroni e buche reagiscano fra loro troppo velocemente, il gruppo di ricerca ha cercato di separarli sintetizzando nano-bastoncini di titania lunghi da 15 a 50 nanometri, arrivando a stabilire che i bastoncini più lunghi erano quelli più attivi. Gli scienziati sono infatti riusciti a forzare elettroni e buche a reagire con l’acqua anziché con sé stessi.

    «Potremmo essere di fronte a un principio generale, molto utile per sviluppare catalizzatoricatalizzatori
    Sostanze che intervengono durante le reazioni chimiche per favorire la selettività verso un prodotto piuttosto che un altro oppure per velocizzare i tempi. I catalizzatori prendono parte alle reazioni e si ritrovano poi inalterati alla fine del processo, anche se nel corso del tempo diminuiscono la loro efficienza.
    più efficienti. Queste strutture allungate permettono agli elettroni di fuggire dalle buche come fossero su un lungo rettilineo, così da reagire più velocemente con altre molecole
    .» afferma il Professor Fornasiero.

    «Il biossido di titanio – prosegue Montini – è inoltre utilizzato comunemente in molte applicazioni quotidiane, dalle creme solari ai materiali autopulenti, come quelli utilizzati nelle comuni righe bianche delle nostre strade. La possibilità di modulare l’interazione della luce con questi materiali può offrire grandi opportunità anche in altri campi applicativi

    Non è il primo studio su questo tipo di materiali, ma fino a ora nessuno aveva usato un approccio di sintesi così raffinato da poter preparare bastoncini altrettanto piccoli e di lunghezza uniforme fra loro. «Altre tecniche permettono di intagliare i materiali un po’ come farebbe uno scultore, fino a ottenere strutture sempre più piccole. Ma così facendo si perde in precisione e in possibilità di miniaturizzazione» spiega il Professor Matteo Cargnello della Stanford University, ex dottorando di ricerca in Nanotecnologie dell’Università di Trieste e primo firmatario dell’articolo. «Il nostro invece è un approccio dal basso, cioè a partire da singoli atomi di titanio uniti fra loro come mattoncini di un lego per produrre forme precise sulla scala dei nanometri

    Nonostante il risultato sia promettente, i ricercatori non sono ancora in grado di far reagire pura acqua per produrre idrogeno e ossigeno. A oggi si usano composti derivati da biomasse quali alcoli (per esempio etanoloetanolo
    Termine che indica l’alcol. Esso viene prodotto a partire dalla fermentazione di zuccheri.
    ), che reagiscono a dare idrogeno e anidride carbonica. Produrre CO2 è il tabù energetico del nuovo secolo, ma Fornasiero ci rassicura: «le piante assorbono CO2 convertendolo in altra biomassabiomassa
    In generale si identifica con biomassa tutto ciò che ha matrice organica ad eccezione delle plastiche e dei materiali fossili. Come indicato nel decreto legislativo del 29 Dicembre 2003 n. 387, per biomassa si intende ” la parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti dall’agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali) e dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, nonchè la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani “. Ciò che accomuna le diverse tipologie di biomassa è la presenza di carbonio che mette a disposizione un elevato potere calorifico eventualmente sfruttabile per fini energetici.
    , il che permette di instaurare un ciclo del carboniocarbonio
    Elemento chimico costituente fondamentale degli organismi vegetali e animali. È alla base della chimica organica, detta anche chimica del carbonio: sono noti più di un milione di composti del carbonio. È molto diffuso in natura, ma non è abbondante: è presente nella crosta terrestre nella percentuale dello 0,08% circa, e nell’atmosfera prevalentemente come monossido (CO) e biossido (CO2CO2
    Gas inodore, incolore e non infiammabile, la cui molecola è formato da un atomo di carbonio legato a due atomi di ossigeno. È uno dei gas più abbondanti nell’atmosfera, fondamentale nei processi vitali delle piante e degli animali (fotosintesi e respirazione).

    ) di carbonio (anidride carbonica). Allo stato di elemento si presenta in due differenti forme cristalline: grafite e diamante. relativamente virtuoso, al contrario di quanto avviene coi combustibili fossili.»

    L’idrogeno promette di essere un’alternativa ai combustibili fossili a emissioni zero, se non prodotto da gas naturalegas naturale
    Idrocarburo che ha un’origine simile al petrolio, che si forma a partire dalla decomposizione anaerobica (cioè in assenza di ossigeno (O2) di microorganismi, attraverso processi biologici avvenuti nel corso delle ere geologiche. La composizione del gas naturale varia notevolmente a seconda del sito di formazione, ma in genere presenta un’alta percentuale di metano (dal 70 al 95 %), anidride carbonica (CO2), azoto (N2) e idrogeno solforato (H2S).
    . Lo scoglio da superare ora, secondo Fornasiero, è che i combustibili fossili sono ancora molto convenienti perché poco costosi. Ma il panorama potrebbe cambiare con la scoperta di materiali più efficienti e capaci di produrre idrogeno sfruttando la luce del sole e composti abbondanti e disponibili. «Allora forse potremmo competere con la produzione di idrogeno da combustibili fossili» dice «e con il nostro lavoro muoviamo un passo in questa direzione

    MEE – Materials, Enviromental and Energy – Università di Trieste

    Fonte: Università di Trieste

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