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Traduzione a cura di Denis Gobbi

Un team internazionale di scienziati ha inventato un dispositivo economico in grado di immagazzinare energia solare a livelli di efficienza mai visti prima in questo campo

hydrogen

 

 

Uno dei più grandi problemi dell’energia solare in quanto a rimpiazzo come solida e conveniente alternativa dei combustibili fossili consiste nel cosa fare quando il sole non splende nel cielo. Un team internazionale di scienziati sembra aver trovato una promettente soluzione a questo problema.

Guidati da Michael Graetzel, direttore del Laboratorio di Fotonica e Interfacce al Politecnico Ecole in Svizzera, questa squadra ha creato un dispositivo in grado di catturare energia dal sole e convertirla in idrogeno da essere stoccato per utilizzarlo come carburante o dato in pasto ad una cella combustibile per ricavarne ellettricità immediata.

Chiamato “water-splitter” questo dispositivo viene etichettato come l’ultima grande scoperta nel campo della tecnologia fotovoltaica da Kevin Bullis del MIT’s Technology Review perchè soddisfa tre dei quattro requisiti necessari alla creazione di un congegno pratico. Prima di tutto, è altamente efficiente. E’ infatti costruito con un nuovo tipo di materiale chiamato perovskite, materiale scoperto nel 2009 e capace di assorbire la luce in maniera molto più efficace del silicio: il materiale comunemente usato oggi al suo posto all’interno delle celle fotovoltaiche. Secondo Bullis, può immagazzinare fino al 12,3% dell’energia solare in forma di idrogeno, un dato impressionante dato che i più efficienti convertitori solare-idrogeno si aggirano intorno al 10% di efficienza.

Secondariamente, è economico da produrre in quanto composto solamente da materiali economici. Terzo, questi materiali sono estraibili in quantità, perciò il dispositivo è anche facile da produrre. Sopra alla perovskite, il dispositivo utilizza l’economico nickel e ferro come catalizzatori nei suoi due elettrodi “water-splitter”, uno producente idrogeno mentre l’altro ossigeno quando a contatto con l’acqua.

“Il catalizzatore progettato in lavori precedenti dimostra come l’idrossido di nickel sia un catalizzatore promettente, e aggiungendo il ferro possiamo riuscire a migliorarlo. I ricercatori hanno aggiunto il ferro all’idrossido di nickel formando una struttura a strati, posizionando il catalizzatore sopra una schiuma “porosa”di nickel per icnrementare l’area ove avvengono le reazioni , velocizzandole” ha affermato Bullis.

Il quarto criterio necessario ad un dispositivo per risultare efficace è l’affidabilità, punto su cui sta correntemente lavorando il team. Per ora, il processo mantiene il suo alto livello d’efficienza solo per poche ore prima di cominciare a perderla gradualmente, questo perchè la perovskite si degrada molto più velocemente rispetto al silicio. Ma il team, che include ricercatori da Svizzera, Singapore e Korea, è riuscito fino ad ora ad estendere la sua durata a più di un mese aggiungendo uno strato di carbonio. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Science. Sono ora al lavoro per incrementare ulteriormente questa caratteristica.

Potete vedere il dispositivo in azione qui sotto:

Fonte: technologyreview.com

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Traduzione a cura di Denis Gobbi

Dei ricercatori hanno identificato fattori chiave necessari allo sviluppo di un catalizzatore che permetterà loro di replicare la fotosintesi e convertire l’anidride carbonica in carburante pulito.

leafMolti scienziati hanno speso decenni nel tentativo di replicare il processo della fotosintesi – quella reazione che permette alle piante di convertire il biossido di carbonio, acqua e luce solare nello zucchero che alimenta la loro crescita. Se riuscissimo a replicare una “fotosintesi artificiale”, saremmo essenzialmente in grado di creare in maniera facile ed economica biofuel dall’eccesso di anidride carbonica presente nella nostra atmosfera. E’ stato provato però come questo risulti un traguardo estremamente difficile da raggiungere.

Biparticelle metalliche di oro/rame usate come catalizzatore nella degradazione del biossido di carbonio, una reazione chiave necessaria alla fotosintesi artificiale

Biparticelle metalliche di oro/rame usate come catalizzatore nella degradazione del biossido di carbonio, una reazione chiave necessaria alla fotosintesi artificiale

Ora, scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory negli Stati Uniti hanno raggiunto un importante traguardo, identificando due fattori chiave che dovranno essere considerati nella creazione di un catalizzatore che riduca il biossido di carbonio e aiuti a guidare la sua conversione in zucchero.

Un catalizzatore è essenzialmente una sostanza che velocizza una reazione senza subire nessuna variazione chimica di per sè. Fino ad ora, la ricerca di questo catalizzatore che possa legare selezionatamente ed efficientemente il bioossido di carbonio e le molecole che lo trasformano si è dimostrata estremamente ardua. Per cercar di scoprire di più riguardo i fattori che potrebbero influenzare questo catalizzatore “ideale” il team di ricerca ha creato diversi set di leghe di nanoparticelle bimetalliche di oro-rame.

Queste leghe, tutte con differenti composizioni, sono state testate per cercare di capire quale fosse la più efficace nel degradare il biossido di carbonio e i suoi prodotti intermedi come l’acido carbossilico e il monossido di carbonio.

Quel che hanno scoperto è l’esistenza di due fattori chiave, interconnessi e coinvolti nel determinare l’efficacia di un catalizzatore: gli effetti elettronico e geometrico. L’effetto elettronico si riferisce ai sottili cambiamenti nella composizione superficiale che determinano quanto bene una molecola si legherà al catalizzatore, mentre l’effetto geometrico coinvolge la disposizione degli atomi nel punto di lega.

L'esperto di nanoscienze Peidong Yang possiede una cattedra al "Berkeley Lab, UC Berkeley and the Kavli Energy NanoSciences Institute" di Berkeley

L’esperto di nanoscienze Peidong Yang possiede una cattedra al “Berkeley Lab, UC Berkeley and the Kavli Energy NanoSciences Institute” di Berkeley

“Agendo sinergisticamente, gli effetti elettronico e geometrico determinano la forza legante della reazione intermediatrice e conseguentemente la selettività ed efficienza catalitica nella riduzione elettrochimica del biossido di carbonio.” ha affermato in un rilascio alla stampa Peidong Yang, il chimico che ha guidato lo studio. “In futuro, il design di un buon catalizzatore dotato di una buona attività e selettività per la riduzione del biossido di carbonio richiederà l’attento bilanciamento di questi due effetti, come ha rilevato il nostro studio.”

Usando queste informazioni, possono ora cominciare a creare un catalizzatore che li aiuterà a trasformare il sogno della fotosintesi artificiale in realtà.

Il team crede che le nanoparticelle possano creare il catalizzatore ideale per via dei loro vantaggiosi rapporti superficie/volume e superficie/massa; combinandoli insieme potranno sbloccare potenziali ancor più grandi.

“Con queste leghe, crediamo di poter regolare la forza degli intermediatori sulla superficie del catalizzatore per potenziare l’efficacia della reazione che ci permetterà di ridurre il biossido di carbonio.” ha detto Yang.

“Le nanoparticelle costituiscono una piattaforma ideale per lo studio di questa dinamica perchè, tramite appropriati processi di sintesi, possiamo avere accesso ad una grande varietà di composizioni, dimensioni e forme, donandoci una comprensione più profonda della performance di un catalizzatore tramite un preciso controllo dei siti attivi.”

Utilizzando i benefici delle nanoparticelle combinate con la scoperta dei fattori chiave che determinano l’efficacia di un catalizzatore, Yang crede che la strada per miglioramenti verso l’ottenimento di una fotosintesi artificiale sia ormai stata tracciata.

Fonte: nature.com

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Traduzione a cura di Denis Gobbi 

Questa immagine raffigura la serie di reazioni che subisce l'acqua durante la separazione in molecole di idrogeno e ioni di idrossido (OH-). Il processo viene innescato dai grappoli di Idrossido di Nickel (verde) incorporati in un quadro di platino (grigio).

Questa immagine raffigura la serie di reazioni che subisce l'acqua durante la separazione in molecole di idrogeno e ioni di idrossido (OH-). Il processo viene innescato dai grappoli di Idrossido di Nickel (verde) incorporati in un quadro di platino (grigio).

Quando si tratta di produzione industriale di sostanze chimiche, spesso l’elemento più indispensabile è proprio il meno visibile, anzi esso è invisibile, non lo puoi annusare, toccare nè tantomeno gustarlo. E’ l’idrogeno, l’elemento più leggero che esista.

I ricercatori del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) nell’Argonne National Laboratory sono riusciti a sviluppare uno straordinario ed efficiente processo di ellettrolisi in due fasi che separa gli atomi di idrogeno dalle molecole d’acqua prima di ricombinarli tra di loro per dare forma ad idrogeno molecolare (H2). Questo idrogeno molecolare può essere utilizzato in qualsiasi applicazione: dalle celle combustibili alla trasformazione industriale.

Strade più accessibili e semplici alla produzione dell’idrogeno sono state a lungo bersaglio di molti scienziati ed ingegneri, principalmente perchè il processo richiede esso stesso una grande quantità di energia, basti pensare al fatto che il 2% di tutta l’energia prodotta negli Stati Uniti è dedicata proprio alla produzione di idrogeno molecolare. Si stà cercando quindi un modo per ridurre questa questa cifra.

“La gente comprende che una volta che hai l’idrogeno, da esso puoi estrarre un moltissima energia, ma non si rende conto di quanto sia difficile ottenerlo in primis.” ha detto Nenad Markovic, il chimico che ha guidato la ricerca.

Mentre una gran quantità di idrogeno viene creata dalla riformazione naturale del gas ad alta temperatura, questo processo genera emissioni di anidride carbonica. “Gli elettrolizzatori d’acqua sono fino ad ora il metodo più pulito per produrre l’idrogeno” ha detto Markovic. “Il metodo che abbiamo messo a punto combina le particolari caratteristiche di due dei migliori materiali noti per l’elettrolisi a base d’acqua.”

La maggior parte dei precedenti esperimenti di elettrolisi a base d’acqua si basano su metalli speciali, come il platino, per assorbire e ricombinare l’idrogeno reattivo intermedio in idrogeno molecolare stabile. La ricerca di Markovic si concentra sul passaggio precedente, che consiste nel miglioramento dell’efficienza con cui una molecola d’acqua in entrata di scompone nei suoi fondamentali componenti. Per fare ciò Markovic ed i suoi colleghi hanno aggiunto grappoli di una lega metallica conosciuta come Idrossido di Nickel [Ni(OH)2]. Collegati ad un quadro di platino, i grappoli lacerano le molecole d’acqua, permettendo all’idrogeno liberato di essere catalizzato dal platino.

“Uno dei punti più importanti di questo esperimento  consiste nella combinazione di due materiali che hanno punti di forza differenti.” ha detto Markovic. “Il vantaggio di usare sia gli ossidi che i metalli in combinazione migliora drasticamente l’efficienza catalizzante dell’intero sistema”.
In accordo con George Crabtree, studioso dei materiali dell’Argonne National Laboratory che ha aiutato inizialmente nell’avviare questo programma energetico di conversione, il successo dei ricercatori è da attribuire alla loro capacità di lavorare in quelli che vengono definiti come “sistemi monocristallini” materiali privi di difetti che permettono agli scienziati di prevederne accuratamente il comportamento a livello atomico. “Non solo abbiamo aumentato l’attività catalitica di un fattore di 10, ma abbiamo anche capito come ogni singola parte del sistema funziona. Con lo scaling dal singolo cristallo al catalizzatore vero e proprio, questo lavoro illustra come la comprensione fondamentale porta a nuove innovative tecnologie”.
Fonte: anl.gov

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