Laboratorio: luce solare trasforma scarti del biodiesel in idrogeno

Sotto il fascio di uno strumento a raggi X del Sincrotrone australiano, una polvere catalitica viene esposta alla luce che la attiva. Quando la luce si accende, gli atomi di nichel e cobalto sulla sua superficie cambiano stato chimico; quando si spegne, tornano allo stato iniziale. Questo va e vieni, osservato in meno di un secondo, è al centro di un nuovo studio guidato dai ricercatori dell'Università del New South Wales (UNSW).

Il processo si chiama fotoreforming. L'energia luminosa guida una reazione che scinde una materia prima in idrogeno e in altri prodotti contemporaneamente. Il team ha scelto il glicerolo, sottoprodotto della produzione di biodiesel, che l'industria del biodiesel in crescita genera in grandi quantità: circa 100 chilogrammi per ogni tonnellata di biodiesel. Il glicerolo grezzo può valere appena 0,11 dollari americani al chilogrammo. Trasformarlo in gliceraldeide e diidrossiacetone, impiegati nell'industria chimica e farmaceutica, cambia quel valore. Questi due prodotti valgono circa 75 dollari americani e 150 dollari americani al chilogrammo.

Il fotocatalizzatore è costituito da solfuro di zinco e indio, modificato con quantità molto piccole di nichel e cobalto. Sotto luce visibile, il cocatalizzatore nichel-cobalto ha aumentato il tasso di sviluppo dell'idrogeno di circa 10 volte rispetto al materiale non modificato. Ha anche cambiato la destinazione del glicerolo: la superficie non modificata favoriva soprattutto un percorso che produce idrossiacetone; con nichel e cobalto aggiunti, una quota maggiore di glicerolo seguiva le vie che portano a gliceraldeide e diidrossiacetone.

Il meccanismo è stato la parte più difficile da osservare. Usando la spettroscopia di assorbimento a raggi X in situ (XAS), che legge lo stato chimico di un metallo mentre il materiale è in funzione, il ricercatore principale dell'ANSTO Bernt Johannessen e i colleghi hanno seguito i siti di nichel e cobalto. Lo stato di partenza era per lo più quello di ioni carichi positivamente; sotto la luce sono diventati più ridotti, la forma associata al catalizzatore attivo. Le misure di controllo al buio hanno mostrato che il cambiamento era guidato dalla luce, non dal fascio di raggi X. Una seconda tecnica, la microspettroscopia infrarossa, ha seguito le molecole sulla superficie e ha aiutato a identificare gli intermedi lungo il percorso.

Per i produttori di biodiesel, il valore dell'approccio dipende da ciò che potrebbe un giorno fare del glicerolo in eccesso, e lo studio non risponde a questa domanda. Non fornisce alcun prezzo del processo, nessuna cifra di capacità e nessuna data per una dimostrazione fuori dal laboratorio, e i suoi dati sull'idrogeno provengono da luce solare simulata. Ciò che stabilisce è un metodo per osservare il funzionamento del catalizzatore, che secondo il team è ciò che permette di progettare catalizzatori capaci di orientare la reazione verso i prodotti scelti. Qualsiasi passaggio da questo risultato di banco a un impianto partirebbe da quel lavoro di progettazione.