Gli straordinari risultati di una ricerca congiunta tra Università di Padova e Milano-Bicocca permetteranno l’ottimizzazione dei catalizzatori durante il processo elettrochimico di produzione dell’idrogeno

 

La così detta economia dell’idrogeno rappresenta attualmente lo scenario più accreditato per uno sviluppo futuro basato su fonti energetiche rinnovabili. Per realizzare una produzione sostenibile di idrogeno si punta sull’acqua, quale materia prima a basso impatto ambientale e dalla disponibilità virtualmente infinita, posto che si riesca ad impiegare quella degli oceani.

 

L’idrogeno così ottenuto, usualmente definito verde, implica un processo elettrochimico che per mantenere quest’etichetta deve necessariamente essere a basso costo. Tutto ciò impone però un’ottimizzazione dei catalizzatori indispensabili a rendere il processo elettrochimico economico ed efficiente. Attualmente i ricercatori del campo stanno studiando un percorso razionale che permetta l’ottimizzazione dei materiali catalitici atti a raggiungere tale obiettivo.

Il Surface Science and Catalysis Group (SSCG) del Dipartimento di Scienze Chimiche (DiSC) dell’Università di Padova diretto dal professor Gaetano Granozzi, in collaborazione con il gruppo teorico dell’Università di Milano Bicocca diretto dalla professoressa Cristiana Di Valentin, ha raggiunto uno straordinario risultato in questa direzione, che sarà di forte impatto per gli sviluppi futuri nel campo della produzione di idrogeno.

Il team di ricercatori del Dipartimento di Scienze Chimiche dell’Università di Padova coordinati da Stefano Agnoli è stato in grado di visualizzare con risoluzione atomica i singoli siti catalitici durante il processo elettrochimico di produzione dell’idrogeno, una metodologia usualmente indicata con il termine in operando. Un risultato importante, pubblicato sulla rivista Nature Catalysis con il titolo “Operando visualization of the hydrogen evolution reaction with atomic scale precision at different metal-graphene interfaces” (DOI: 10.1038/s41929-021-00682-2).

“Il presente studio ha reso possibile identificare con precisione atomica la presenza di siti catalitici e valutare direttamente in situ la loro capacità di produrre idrogeno. Questa combinazione davvero unica di risoluzione spaziale e quantificazione dell’attività elettrocatalitica – dice Stefano Agnoli, coordinatore dello studio – consente di stabilire in modo estremamente accurato le relazioni che legano la struttura della materia alla reattività chimica e quindi fornisce le informazioni necessarie per costruire atomo dopo atomo catalizzatori ad altissima efficienza”.

“L’ottenimento di questi risultati – sottolinea Gaetano Granozzi – è stato reso possibile dalla lunga esperienza maturata dal SSCG dell’Università di Padova operante nel campo sin dal tempo della sua fondazione avvenuta nel 1990”.

La visualizzazione è stata resa possibile grazie ad una strumentazione estremamente sofisticata (Electrochemical Scanning Tunneling Microscopy, EC-STM), sviluppata a Padova in collaborazione con il gruppo di elettrochimica dello stesso Dipartimento. Il metodo EC-STM è stato applicato a sistemi catalitici innovativi basati su materiali bidimensionali a base di grafene e metalli non nobili, che rappresentano una strada alternativa ai materiali standard usati attualmente per la decomposizione elettrochimica dell’acqua, richiedenti l’uso di metalli nobili di alto costo e scarsa reperibilità.

La qualità dei dati ottenuti è senza precedenti ed è stata interpretata attraverso metodi di simulazione quantomeccanica all’avanguardia sviluppati all’Università di Milano-Bicocca.

“Le metodologie e le risorse computazionali attualmente disponibili – sostiene Cristiana Di Valentin – rendono possibile la simulazione di sistemi molto vicini al campione reale sperimentale con straordinario beneficio per l’interpretazione delle osservazioni in termini di proprietà atomiche della materia e meccanismi di reazione”.