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Towards Replacement of Critical Catalyst Materials by Improved Nanoparticle Control and Rational Design

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Materiali che abbondano sulla Terra per catalizzare la produzione di energia pulita?

Il progetto CritCat potrebbe essere riuscito a prendere due piccioni con una fava. Sostituendo nelle reazioni catalitiche i metalli rari con materiali che abbondano sulla Terra, il suo team propone una via per un’impronta di carbonio ridotta e un costo di produzione più conveniente per l’industria chimica, aumentando allo stesso tempo la fattibilità di nuove tecnologie di conversione energetica.

Economia digitale
Energia

È uno dei paradossi più grandi della società: da una parte la volontà politica di tutelare risorse e clima e dall’altra le più diffuse tecnologie avide di energia e dipendenti da risorse e materiali rari. Un caso emblematico è palesemente quello degli smartphone, che dipendono strettamente dai metalli delle terre rare. Ma la stessa cosa vale per i catalizzatori, le sostanze che aumentano la velocità delle reazioni chimiche che si verificano per abilitare le tecnologie di conversione dell’energia. Il problema del catalizzatore era al centro del progetto CritCat (Towards Replacement of Critical Catalyst Materials by Improved Nanoparticle Control and Rational Design). Il suo obiettivo: sostituire i metalli rari critici utilizzati nella catalisi elettrochimica ed eterogenea (solitamente i metalli del gruppo del platino, i PGM) con materiali presenti in grandi quantità sulla Terra. In tre anni, il consorzio del progetto ha esplorato le proprietà delle nanoparticelle metalliche di transizione ultra piccole per attivare le promettenti tecnologie di conversione energetica. Per farlo, il team ha, in sequenza, scisso l’acqua in idrogeno e ossigeno per identificare le alternative di metalli di transizione in PGM catalitici, sintetizzato campioni, caratterizzato e infine usato gli stessi in reazioni chimiche di riferimento per misurare la loro attività catalitica. Alla fine, sono stati sviluppati prototipi di elettrolizzatori dai candidati più promettenti per indagare sulle loro prestazioni.

Niente più tentativi ed errori?

Tuttavia, l’innovazione del progetto non si basa unicamente sull’identificazione di nuovi materiali più economici. Invece di usare il tradizionale processo sperimentale di laboratorio per tentativi ed errori, il team ha optato per l’intelligenza artificiale e le simulazioni al computer, in forma di una piattaforma di modellizzazione dei materiali per la progettazione di catalizzatori. «Forniamo un ecosistema completo dalle simulazioni della struttura elettronica (teoria funzionale della densità) alle reazioni reali, e integriamo gli algoritmi di apprendimento automatico per ottimizzare e gestire complesse superfici di energia potenziale per energetici di reazione», spiega Jaakko Akola, coordinatore di CritCat per conto dell’Università di Tampere. E prosegue: «La piattaforma richiede innanzitutto i dati di input dalla teoria funzionale della densità, in modo tale che gli algoritmi possano essere addestrati a prevedere superfici di energia potenziale. La prossima fase è quella di introdurre altri algoritmi di apprendimento automatico per identificare le proprietà caratteristiche (i descrittori) che sono intimamente connessi con l’attività catalitica. Man mano che il database aumenta, aumenta anche la capacità della piattaforma di prevedere le proprietà dei nuovi materiali».

Verso soluzioni energetiche basate sull’idrogeno

Il prototipo di elettrolizzatore del progetto è un passaggio cruciale per la produzione di energia pulita basata su materiali abbondanti sulla Terra. Alla fine potrebbe risolvere, per esempio, il problema della fornitura intermittente di energia solare/eolica mediante conversione di elettricità in idrogeno. Parimenti, la piattaforma di modellizzazione del progetto deve ancora svelare tutto il suo pieno potenziale. In primo luogo, anche se la piattaforma di modellizzazione non è ancora diventata più efficace della sperimentazione per tentativi ed errori, il fatto che il suo potere predittivo aumenti man mano che il database dei materiali studiati cresce e gli strumenti di apprendimento automatico continuano ad essere sviluppati, è molto promettente. La comprensione chimica acquisita potrebbe anche essere riutilizzata successivamente, a differenza di quanto avviene nelle sperimentazioni a tentativi. Secondariamente, il team ha solo scalfito la superficie delle possibili applicazioni, come sottolinea Akola: «La piattaforma è stata progettata innanzitutto per la reazione di evoluzione dell’idrogeno, che è rilevante per la produzione di energia da idrogeno attraverso la scissione dell’acqua. Tuttavia, il nostro obiettivo è stato quello di produrre un’infrastruttura di modellizzazione che possa essere applicata facilmente per altre reazioni chimiche, sia in fase gassosa che in elettrochimica». Questo è esattamente ciò su cui sta lavorando il team del progetto sin dal completamento di CritCat nel giugno 2019. Attualmente stanno lavorando sui catalizzatori e su dispositivi prototipo per celle a combustibile, nonché sulla conversione di CO2 in combustibili sintetici.

Parole chiave

CritCat, catalizzatore, metallo raro, abbondanti sulla Terra, PGM, metallo di transizione, idrogeno, conversione di energia, piattaforma di modellizzazione

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