I ricercatori scoprono un percorso di sintesi inaspettato: una nuova via per ottenere metano a impatto zero sul clima

Per raggiungere questo obiettivo, tuttavia, sono necessari materiali speciali. La ricerca di tali materiali è al centro del progetto di ricerca MECS, un Cluster di Eccellenza austriaco finanziato dal Fondo Austriaco per la Scienza (FWF). Ora è stato compiuto un passo importante: il team ha studiato il nichel su zirconia stabilizzata con ittrio. A contatto con il vapore d’acqua e l’anidride carbonica, questo materiale innesca una complessa cascata di processi chimici, che ora è stata decifrata in dettaglio per la prima volta e che porta alla produzione finale di metano.

Due passi in uno

«L’idea di convertire l’anidride carbonica in gas di prodotto non è nuova», afferma il prof. Günther Rupprechter dell’Istituto di Chimica dei Materiali dell’Università Tecnica di Vienna (TU Wien). «L’anidride carbonica può essere scissa e poi fatta reagire con l’idrogeno. Tuttavia, la domanda che sorge spontanea è: da dove proviene l’idrogeno?»

Oggi, la maggior parte dell’idrogeno viene ancora prodotta da fonti fossili – noto come idrogeno “nero” o “grigio”. Se ci si affida a questo tipo di idrogeno, il processo complessivo non è climaticamente neutro. «Per noi del cluster di ricerca MECS era chiaro che sarebbe stato molto più elegante sviluppare un processo in grado di realizzare due cose contemporaneamente: in primo luogo, scindere l’anidride carbonica per ottenere carbonio e, in secondo luogo, scindere l’acqua per ottenere contemporaneamente idrogeno “verde”», spiega Günther Rupprechter. L’idrogeno e il carbonio possono quindi essere utilizzati per formare metano (_CH₄) interamente rinnovabile. In fasi successive, se necessario, questo metano potrebbe anche essere convertito in altre sostanze, come i combustibili liquidi rinnovabili.

La zirconia, la protagonista sottovalutata

«Per anni si è ritenuto che il nichel fosse il fattore principale che determinava questo processo chimico», afferma Bernhard Klötzer dell’Università di Innsbruck. «Ma alcuni risultati sperimentali non si adattavano del tutto a questo quadro. Volevamo capire esattamente cosa sta accadendo sulla superficie elettrochimicamente attiva».

Per scoprirlo, il team ha sviluppato un elettrodo modello poroso molto speciale, realizzato in nichel su zirconia stabilizzata con ittrio, e lo ha analizzato utilizzando la spettroscopia fotoelettronica a raggi X. Questa tecnica consente di monitorare direttamente i cambiamenti chimici durante il processo, in tempo reale.

Il risultato è stato una sorpresa: la zirconia era stata inizialmente utilizzata soprattutto perché è permeabile agli ioni di ossigeno ed è in grado di allontanare l’ossigeno. «Ma, a quanto pare, la zirconia svolge qui un ruolo molto più attivo di quanto si pensasse in precedenza», afferma Christoph Thurner, primo autore dello studio attuale. «Quando applichiamo una tensione elettrica, inizialmente il carbonio si deposita sugli atomi di nichel – proprio come ci aspettavamo. Ma una parte di questo carbonio migra poi ulteriormente sulla superficie della zirconia, dove si forma un composto reattivo di carbonio e zirconio. Non appena piccole quantità di vapore acqueo entrano in contatto con questo composto, esso reagisce nuovamente e si forma il metano».

Stoccaggio chimico dell’energia solare

«Il comportamento dinamico della superficie di zirconia si è rivelato cruciale», afferma Alexander Genest della TU Wien, che ha condotto le simulazioni. «Siamo riusciti a dimostrare che il metano si forma attraverso un percorso di reazione finora sconosciuto. Ciò apre nuove prospettive per lo sviluppo di celle elettrolitiche. Ci offre un modo per utilizzare elettrochimicamente l’energia elettrica in eccesso, ad esempio nelle giornate particolarmente soleggiate in cui gli impianti fotovoltaici generano energia in eccesso, e produrre metano. In questo modo, l’energia può essere immagazzinata sotto forma di combustibili versatili che possono essere conservati a lungo termine senza difficoltà.”