Blog

Aug 22, 2023

Trovare l'oro con una soluzione misteriosa molecolare per una potenziale energia pulita

Un gruppo di ricerca guidato dalla Penn State ha rivelato il meccanismo molecolare alla base di un fenomeno chiamato spillover dell’idrogeno. L’intesa potrebbe portare a uno stoccaggio dell’idrogeno più efficiente ed efficace

Un gruppo di ricerca guidato dalla Penn State ha rivelato il meccanismo molecolare alla base di un fenomeno chiamato spillover dell’idrogeno. L’intesa potrebbe portare a uno stoccaggio dell’idrogeno più efficiente ed efficace per l’uso di energia pulita. I metodi attuali richiedono energia e spazio significativi per immagazzinare l’idrogeno in forma liquida. Credito: Hirun/Getty Images. Tutti i diritti riservati.

31 agosto 2023

Di Ashley Wenners Herron

PARCO UNIVERSITARIO, Pennsylvania – Lo spillover dell’idrogeno è esattamente quello che sembra. Piccole nanoparticelle metalliche ancorate su un ossido termicamente stabile, come la silice, comprendono un'importante classe di catalizzatori, che sono sostanze utilizzate per accelerare le reazioni chimiche senza consumarsi. La reazione catalitica di solito avviene sul metallo reattivo e costoso, ma su alcuni catalizzatori gli equivalenti simili ad atomi di idrogeno si riversano letteralmente dal metallo all'ossido. Queste specie di idrogeno su ossido sono chiamate "sversamento di idrogeno".

Descritta per la prima volta nel 1964, la curiosità ha recentemente attirato maggiore attenzione come potenziale percorso per sfruttare l’idrogeno per l’energia pulita; tuttavia, secondo Bert Chandler, professore di ingegneria chimica e chimica alla Penn State, non ha fatto molti progressi. Ciò è in gran parte dovuto al fatto che, sebbene i ricercatori siano stati in grado di identificare lo spillover dell’idrogeno per quasi 60 anni, nessuno è stato in grado di quantificarlo e descrivere il meccanismo alla base del fenomeno, fino ad ora.

Con un po’ di fortuna e molto lavoro, ha detto Chandler, un gruppo di ricerca guidato dalla Penn State ha scoperto come e perché si verifica lo spillover dell’idrogeno e ha fornito la prima misurazione quantitativa del processo. Hanno pubblicato i loro risultati su Nature Catalysis.

Il lavoro, ha affermato Chandler, offre l’opportunità di comprendere e sviluppare meglio l’attivazione e lo stoccaggio dell’idrogeno. Lo stoccaggio convenzionale dell’idrogeno richiede quantità significative di energia per mantenere l’idrogeno sufficientemente freddo da rimanere liquido. Con il loro esclusivo sistema oro su titanio, tuttavia, il gruppo di ricerca ha dimostrato di poter scomporre in modo efficace, efficiente e reversibile le molecole di idrogeno in atomi di idrogeno – un processo necessario per indurre la fuoriuscita di idrogeno – a temperature più elevate che richiedono meno energia.

“Siamo ora in grado di spiegare come funziona lo spillover dell’idrogeno, perché funziona e cosa lo spinge”, ha affermato Chandler, autore corrispondente dell’articolo. “E, per la prima volta, siamo stati in grado di misurarlo: questa è la chiave. Una volta quantificato, puoi vedere come cambia, capire come controllarlo e capire come applicarlo a nuovi problemi.

Nei sistemi di spillover dell’idrogeno, l’idrogeno gassoso reagisce dividendosi negli equivalenti atomi di idrogeno: un protone e un elettrone, ma in una disposizione leggermente diversa rispetto alla loro disposizione tipica. In questo sistema, i protoni si attaccano alla superficie del materiale mentre gli elettroni entrano nella banda di conduzione vicino alla superficie dell'ossido semiconduttore. I ricercatori hanno detto che sperano di imparare a usarli per testare applicazioni chimiche più avanzate come la conversione degli atomi per l'uso come combustibile pulito e lo stoccaggio dell'idrogeno, secondo Chandler.

"Il pezzo semiconduttore è importante perché gli equivalenti dell'atomo di idrogeno hanno i loro protoni sulla superficie e i loro elettroni sul sottosuolo: sono ancora vicini tra loro, ma separati da una superficie conduttiva", ha detto Chandler, spiegando che questa piccola separazione evita di pagare una grossa cifra. penalità energetica tipicamente necessaria per la separazione della carica. “Per quasi tutti i sistemi di adsorbimento, è necessario disporre di un assorbimento di calore favorevole per superare la perdita di energia necessaria per trasformare una molecola di gas in un solido tramite adsorbimento. È entropicamente sfavorevole”.

L’entropia rappresenta l’energia termica non disponibile necessaria per far avanzare un processo. In altre parole, l’entropia è la dispersione di energia nei sottostati, come il ghiaccio che si scioglie nell’acqua quando l’energia per mantenere le molecole in uno stato solido non è disponibile. Le energie richiedono un equilibrio, ha detto Chandler, e misurare il contributo dell’entropia all’equilibrio è quasi impossibile in questi sistemi.