La produzione e l’utilizzo dell’idrogeno come fonte di energia pulita, rinnovabile e sostenibile è una priorità dell’Unione Europea per la transizione ecologica dei prossimi decenni.
L’idrogeno verde consentirebbe una diminuzione, se non una completa eliminazione, dell’uso di combustibili fossili. Ciò comporterebbe una riduzione dell’impronta ambientale antropica, con un’immediata riduzione delle emissioni di gas serra, solfuri, ossidi di azoto e altri inquinanti.
Idrogeno per immagazzinare energia
La produzione di idrogeno avviene per decomposizione dell’acqua. Questo è suddiviso nei suoi componenti fondamentali: idrogeno e ossigeno. L’energia elettrica necessaria per questo processo chimico proverrà idealmente da fonti rinnovabili come ad esempio l’energia fotovoltaica o eolica.
La decomposizione dell’acqua è suddivisa in due sub-reazioni, che avvengono in due semicelle: l’evoluzione dell’ossigeno (anodo) e l’evoluzione dell’idrogeno (catodo). La presenza di un catalizzatore eterogeneo (solido) depositato sopra gli elettrodi aumenta la velocità delle due semireazioni.
La produzione di idrogeno è il primo passo per immagazzinare l’energia elettrica generata in modo intermittente, ad esempio dagli impianti fotovoltaici solo in presenza di sole, sotto forma di energia chimica.
L’ossidazione dell’idrogeno per recuperare l’energia elettrica immagazzinata è la reazione inversa alla decomposizione dell’acqua. In questo caso, idrogeno e ossigeno reagiscono in una cella a combustibile per produrre energia, calore e, come sottoprodotto, acqua.
L’ossidazione dell’idrogeno può anche essere suddivisa in due sottoreazioni: ossidazione dell’idrogeno (anodo) e riduzione dell’ossigeno (catodo).
Magnetismo per accelerare le reazioni chimiche
Il magnetismo è un parametro fisico dei catalizzatori solidi che può accelerare le reazioni di decomposizione dell’acqua per produrre idrogeno e l’ossidazione dell’idrogeno. Per questo motivo noi chimici studiamo la correlazione tra magnetismo e catalisi eterogenea per applicarla alla produzione di energia pulita.
In parole povere si potrebbe dire che il magnetismo di un solido è il risultato macroscopico dell’accoppiamento degli spin elettronici dei suoi elettroni.
Lo spin è il momento magnetico intrinseco di un elettrone che nasce dall’incorporazione della teoria della relatività nella meccanica quantistica (autori fondamentali in questo campo sono gli scienziati P. Dirac e W. Pauli ). Un’analogia classica sarebbe confrontare l’elettrone con una cima, che può ruotare in senso orario, con il vettore momento angolare rivolto verso il basso, o in senso antiorario, con il vettore rivolto verso l’alto.
In complesse strutture multielettroniche, come i solidi cristallini, molti spin di elettroni si uniscono e cooperano tra loro. Questo fenomeno può portare alla formazione di domini ferromagnetici (tutti gli spin puntano nella stessa direzione), domini antiferromagnetici (metà degli spin punta in una direzione e l’altra metà nella direzione opposta) e domini non collineari (gli spin puntano in direzioni diverse). Il risultato macroscopico di tutte queste combinazioni forma i materiali magnetici.
In uno studio recente è stato spiegato il comportamento degli elettroni, i movimenti differenziati dai loro spin, le interazioni di correlazione e la formazione di domini intrinseci nei catalizzatori magnetici e l’impatto di tutti questi fattori sulla catalisi eterogenea. Il lavoro, pubblicato sulla rivista ACS Catalysis, è il risultato di una collaborazione tra l’Università Jaume I di Castellón de la Plana e la società MagnetoCat SL di Alicante per il consorzio SPINCAT.
La ricerca dimostra che i meccanismi di scambio di spin quantistico sono essenziali per stabilire fasi prevalentemente ferromagnetiche e metalliche conduttive in catalizzatori eterogenei. Cioè, due elettroni con lo stesso spin implementano meccanismi di scambio quantistico di quantità di moto e posizione per ridurre la repulsione tra le loro cariche negative.
Inoltre, tutti gli elettroni possono “saltare” a livelli di energia più elevati (e più vicini ai nuclei degli atomi) per compensare le repulsioni delle loro cariche. Queste due proprietà determinano il magnetismo e la conduttività dei catalizzatori solidi e sono ideali per catalizzare (accelerare) efficacemente sia la decomposizione dell’acqua che l’ossidazione dell’idrogeno.
Questo fatto è così rilevante che le catalisi mediate da solidi magnetici definiscono un nuovo ramo della catalisi eterogenea, la spintrocatalisi, cioè una catalisi influenzata, modulata e potenziata che utilizza sia lo spin che il dominio magnetico intrinseco al catalizzatore, nonché l’influenza di magneti esterni (o una miscela dei due effetti).
Sviluppo di catalizzatori magnetici
La prima strategia per sviluppare catalizzatori solidi è per tentativi ed errori: si tratta di una strategia puramente empirica, applicata nei laboratori di sintesi chimica sperimentale. In questo modo si tenta di arrivare a catalizzatori evoluti attraverso la sintesi indistinta e la caratterizzazione dell’attività catalitica di ciascun campione sintetizzato. Questo approccio è robusto, ma molto costoso e con una grande impronta ambientale a causa dei reagenti chimici utilizzati.
La seconda strategia è interamente basata sulla progettazione catalitica computazionale preventiva e, come ultimo passaggio, sulla sintesi finale del solo catalizzatore “buono”. Questa strategia è più in linea con i principi della chimica verde e sostenibile.
Le implementazioni hardware e software della meccanica quantistica si sono evolute parecchio negli ultimi anni. Il microcomputing ibrido è molto efficiente nella progettazione catalitica, poiché combina velocità di calcolo (tipica delle workstation) e affidabilità di gestione dei dati (tipica dei server).
Il microcomputing è anche in linea con la politica ecologica perché riduce notevolmente i costi comunemente associati alle sale server senza sacrificare le prestazioni.
Il nostro gruppo di ricerca è all’avanguardia nell’uso del microcomputer per studiare gli effetti magnetici in leghe di platino e ferro, cobalto e nichel e nella progettazione di catalizzatori magnetici.
Autore
Chiara Biz, Università Jaume I
