La rivoluzione dell’idrogeno nell’energia
(TEMPOITALIA.IT) L’idrogeno è da sempre considerato una fonte energetica del futuro, ma il suo utilizzo è limitato da un problema fondamentale: come immagazzinarlo in modo efficiente? Un gruppo di fisici sperimentali e teorici svizzeri e polacchi ha scoperto perché l’idruro di magnesio, un tempo considerato una soluzione promettente per lo stoccaggio dell’idrogeno, non ha soddisfatto le aspettative e ha individuato una possibile strada da seguire per rivoluzionare l’uso dell’idrogeno nelle applicazioni energetiche.
La sfida dello stoccaggio dell’idrogeno
L’idrogeno, sebbene sia un combustibile ideale, presenta notevoli difficoltà di stoccaggio. Nei rari veicoli alimentati ad idrogeno attualmente in circolazione, questo viene conservato compresso a una pressione di circa 700 atmosfere, un metodo né economico né sicuro, e poco efficiente: in un metro cubo si possono immagazzinare solo 45 kg di idrogeno. Se invece l’idrogeno viene liquefatto, lo stesso volume può contenere fino a 70 kg, ma il processo di liquefazione richiede grandi quantità di energia e la temperatura estremamente bassa, intorno ai -253°C, deve essere mantenuta costante durante tutto il periodo di stoccaggio. Una possibile alternativa potrebbe essere rappresentata da materiali adatti, come l’idruro di magnesio, che può contenere fino a 106 kg di idrogeno per metro cubo.
L’idruro di magnesio è uno dei materiali più semplici testati per la capacità di stoccaggio dell’idrogeno, con un contenuto che può raggiungere il 7,6% in peso. Tuttavia, i dispositivi a base di idruro di magnesio sono piuttosto pesanti e quindi adatti principalmente per applicazioni stazionarie. È importante sottolineare che l’idruro di magnesio è una sostanza molto sicura e può essere immagazzinata senza rischi, ad esempio in un seminterrato, e il magnesio stesso è un metallo facilmente reperibile e a buon mercato.
La scoperta che cambia la prospettiva
Il lavoro di un team di scienziati dell’Empa – i Laboratori Federali Svizzeri per la Scienza e la Tecnologia dei Materiali di Dübendorf, del Dipartimento di Chimica dell’Università di Zurigo e dell’Istituto di Fisica Nucleare dell’Accademia Polacca delle Scienze (IFJ PAN) di Cracovia – ha rivelato che la ragione dei molti anni di insuccesso risiede in una comprensione incompleta dei fenomeni che si verificano nel magnesio durante l’iniezione di idrogeno.
Il Prof. Zbigniew Lodziana (IFJ PAN), fisico teorico coautore di un articolo su Advanced Science, ha sviluppato un nuovo modello dei processi termodinamici ed elettronici che si verificano nel magnesio a contatto con gli atomi di idrogeno. Il modello prevede che durante la migrazione degli atomi di idrogeno si formino nel materiale cluster locali di idruro di magnesio termodinamicamente stabili. Ai confini tra il magnesio metallico e il suo idruro si verificano poi cambiamenti nella struttura elettronica del materiale, che hanno un ruolo significativo nella riduzione della mobilità degli ioni di idrogeno. In altre parole, la cinetica della formazione dell’idruro di magnesio è determinata principalmente dai fenomeni alla sua interfaccia con il magnesio. Questo effetto non era stato preso in considerazione nella ricerca di catalizzatori efficienti.
Il lavoro teorico del Prof. Lodziana integra gli esperimenti svolti nel laboratorio svizzero di Dübendorf, dove è stata studiata la migrazione dell’idrogeno atomico in uno strato di magnesio puro depositato su palladio, in una camera a ultra-alto vuoto. L’apparato di misurazione era in grado di registrare i cambiamenti nello stato di diversi strati atomici esterni del campione in esame, causati dalla formazione di un nuovo composto chimico e dalle trasformazioni associate della struttura elettronica del materiale. Il modello proposto dal ricercatore dell’IFJ PAN ci permette di comprendere pienamente i risultati sperimentali.
I risultati del gruppo di fisici svizzeri e polacchi non solo aprono la strada a una nuova ricerca di un catalizzatore ottimale per l’idruro di magnesio, ma spiegano anche perché alcuni dei catalizzatori precedentemente trovati hanno mostrato un’efficienza superiore al previsto.
“È molto probabile che la mancanza di progressi significativi nello stoccaggio dell’idrogeno nel magnesio e nei suoi composti fosse semplicemente dovuta alla nostra comprensione incompleta dei processi coinvolti nel trasporto dell’idrogeno in questi materiali. Per decenni, tutti abbiamo cercato catalizzatori migliori, solo che non li cercavamo dove avremmo dovuto. Ora, i nuovi risultati teorici e sperimentali ci permettono di pensare di nuovo con ottimismo a ulteriori miglioramenti nei metodi di introduzione dell’idrogeno nel magnesio,” conclude il Prof. Lodziana.
La ricerca è stata finanziata dal National Science Centre in Polonia e dalla Swiss National Science Foundation in Svizzera. (TEMPOITALIA.IT)
