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Elisabetta Alberico, ICB-CNR

L'idrogeno è un combustibile ideale, la cui combustione genera acqua quale unico sottoprodotto. Il suo utilizzo diffuso consentirebbe di risolvere diversi problemi, la richiesta crescente di energia, l'inquinamento e l'emissione di gas serra conseguenti l'utilizzo di combustibili fossili.

 

Tuttavia, a causa delle sue caratteristiche chimico-fisiche, l'idrogeno non è un vettore ideale di energia: è un gas infiammabile con una densità volumetrica di energia limitata che, soprattutto per applicazioni in dispositivi mobili, deve essere compresso ad elevate pressioni (350-700 bars) o liquefatto a temperature molto basse (‑253 °C). Il metanolo è invece un liquido a temperature ambiente con un contenuto del 12.6% in peso di idrogeno, che potrebbe essere rilasciato all'occorrenza mediante reforming acquoso. La condizione necessaria per rendere questo processo efficiente è l'individuazione di un catalizzatore capace di promuovere questo processo a temperature non eccessivamente elevate. La CO2 rilasciata nella deidrogenazione acquosa del metanolo potrebbe essere riconvertita in metanolo utilizzando l'idrogeno prodotto da fonti rinnovabili, idealmente dall'elettrolisi dell'acqua promossa dall'energia solare. 

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Ricercatori dell'Istituto di Chimica Biomolecolare – CNR, l´Universita´ di Sassari e del Leibniz Institut für Catalyse an der Universität Rostock hanno recentemente messo a punto un sistema catalitico basato su un complesso di Rutenio in grado di promuovere la liberazione di idrogeno da metanolo ed acqua a meno di 100 °C.

02

M. Nielsen, E. Alberico, W. Baumann, H.-J. Drexler, H. Junge, S. Gladiali, M. Beller

Efficient Low Temperature Aqueous-Phase Methanol Dehydrogenation to H2 and CO2

Nature 2013,495, 85-89

 

Il catalizzatore di rutenio consente di ottenere tre molecole di idrogeno dalla reazione tra una molecola di metanolo ed una di acqua. La reazione è favorita da una elevata concentrazione di base che sequestra la CO2 prodotta sottoforma di carbonato o formiato. Per ottimizzare le condizioni di reazione è stata studiata l'influenza di diversi parametri sperimentali quali la natura del catalizzatore, la sua concentrazione, il rapporto metanolo / acqua, la basicità della soluzione e la temperatura.

 

In condizioni ottimali, una quantità "omeopatica" di catalizzatore, pari a 1.8 parti per milione, è in grado di produrre idrogeno a 91 °C da una soluzione 9:1 v/v di metanolo ed acqua avente una concentrazione 8 M di idrossido di potassio. In queste condizioni circa 2.700 equivalenti di idrogeno per equivalente di catalizzatore vengono liberati in un'ora.  L'efficienza può essere aumentata a 4.700 equivalenti per ora se non si utilizza acqua. Quando il rapporto metanolo / acqua viene ridotto a 4:1, come pure la concentrazione della base (0.1 moli di sodio idrossido per litro di soluzione) e la concentrazione del catalizzatore  aumentata a 21 p.p.m, la produzione iniziale di idrogeno diminuisce ad 800 equivalenti per ora. Nel corso della reazione il pH della soluzione diminuisce nelle prime quattro ore, passando da 13 a 10, ed il rapporto CO2 / H2 nel gas prodotto da 9:1 a 3:1 nello stesso periodo. Tuttavia la composizione della miscela gassosa si mantiene costante per circa tre settimane determinando un numero complessivo di cicli catalitici pari a 350.000 per unità di catalizzatore.

 

Il catalizzatore non è stato testato in cellule a combustibile ma i risultati della ricerca lasciano intravedere la possibilità di accrescere l'efficienza energetica di quelle a metanolo con possibili applicazioni nel settore dei dispositivi elettronici portatili. Per applicazioni nel settore dei trasporti l'efficienza del catalizzatore dovrebbe essere incrementata notevolmente.

 

 

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