Ambiente ed energia

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Processi innovativi per la produzione sostenibile di energia e per la qualità della vita

Le attività di ricerca qui presentate hanno l’obiettivo di realizzare nuovi processi per la produzione sostenibile di energia riducendo così l’impatto inquinante di alcune attività umane. Sono state gettate le basi per la realizzazione di nuove classi di innovativi catalizzatori e fotocatalizzatori che trovano applicazione nella produzione di idrogeno da biomasse, nelle celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC) per una più efficiente generazione di energia, e nella catalisi ambientale.

Attualmente la maggior parte dei processi industriali utilizza catalizzatori eterogenei, sistemi presenti in una fase, generalmente solida, differente da quella dei reagenti, gassosi o liquidi. L’esempio a noi più familiare, ma che rappresenta anche uno dei principali successi economico/ambientale della catalisi eterogenea, è quello delle marmitte catalitiche nelle automobili. Tali dispositivi sono in grado di trasformare efficacemente i gas di scarico della combustione in prodotti innocui, quali acqua, anidride carbonica ed azoto.

Negli ultimi decenni la ricerca si è focalizzata sulla produzione d’energia da fonti alternative e sulla realizzazione di processi industriali con ridotte richieste di materie prime e di energia, sicuri e al contempo sempre meno inquinanti. Di conseguenza la realizzazione di sistemi catalitici sempre più efficienti è senz’altro un obiettivo prioritario. L’Università di Trieste ha una lunga tradizione in questo settore di ricerca: in particolare, da tempo il Gruppo Materiali, Ambiente ed Energia (http://www.dsch.units.it/~fornasiero/ index.htm) del Dipartimento di Scienze Chimiche da me coordinato è attivo nella progettazione e sviluppo di innovativi materiali per applicazioni industriali nei settori dell’energia e dell’ambiente. Il gruppo è oggi costituito da giovani e motivati ricercatori: Tiziano Montini - che insieme a me è stato indicato come “Cerious scientists” dalla rivista americana Chemical&Engineering News, per una ricerca pubblicata, in collaborazione con altri colleghi, sulla prestigiosa rivista Science - Valentina Gombac, Barbara Lorenzut e Matteo Cargnello. Nel 2009, Loredana de Rogatis, che con me ha svolto una tesi di dottorato, è risultata premiata con il prestigioso premio “ENI-Award debutto nella ricerca”. Le nostre attuali attività di ricerca hanno l’obiettivo di realizzare nuovi processi per la produzione sostenibile di energia riducendo così l’impatto inquinante di alcune attività umane. Sono state gettate le basi per la realizzazione di nuove classi di innovativi catalizzatori e fotocatalizzatori che trovano applicazione nella produzione di idrogeno da biomasse, nelle celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC,) per una più efficiente generazione di energia, e nella catalisi ambientale.

La catalisi è probabilmente il primo settore nel quale i prodotti nanostrutturati sono stati impiegati su scala industriale. Infatti, da sempre la maggior parte dei catalizzatori eterogenei è costituita da particelle metalliche di pochi nanometri. Va però osservato che la nanostruttura in catalisi va intesa più correttamente come ottenimento di nuove proprietà, rispetto a quelle dello stesso materiale in forma massiva. Particolarmente complessa è la realizzazione di fasi attive estremamente reattive. Ne è un tipico esempio l’oro per il quale si ritiene che solamente nanoparticelle bidimensionali di poche decine di atomi siano responsabili della eccezionale reattività in reazioni di ossidazione. Ancor più complessa e quindi strategica è la stabilizzazione in condizione di reazione di tali fasi altamente reattive. Lo scopo della attività di ricerca da noi intrapresa è stato quello di realizzare una innovativa metodica di sintesi di catalizzatori attivi e molto stabili in condizioni di reazione. Obiettivo ultimo è stato quello di ridurre l’incidenza negativa della di - sattivazione di molti catalizzatori eterogenei dovuta al fenomeno della sinterizzazione della fase attiva durante il loro uso. La validità generale dell’approccio proposto è stata verificata utilizzando alcune classi di materiali da noi ottenuti in una ampia serie di reazioni chimiche aventi dirette implicazioni applicative.

Sfruttando la nostra decennale ed internazionalmente riconosciuta competenza nello sviluppo di catalizzatori a tre vie per l’abbattimento degli inquinanti gassosi emessi dalle automobili e la possibilità di interagire anche con strutture di eccellenza nazionali ed internazionali, l’attività si è rivolta specificamente alla realizzazione di:
1. tecnologie per la produzione e purificazione del vettore energetico idrogeno;
2. fotocatalizzatori per la degradazione di inquinanti organici presenti in acque reflue; 3.miglioramento dell’efficienza e della stabilità di Celle a Combustibile ad Ossidi Solidi (Solid Oxides Fuel Cells-SOFC).

Le ricerche si sono svolte presso il Dipartimento di Scienze Chimiche dell’Università di Trieste, nell’ambito del Centro di Eccellenza dei Materiali Nanostrutturati (CENMAT) di cui il nostro gruppo di ricerca fa parte, ed in stretta sinergia con l’Istituto di Chimica dei Composti Organo Metallici (ICCOM) del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) di Firenze, che ha dal 2008 attivato un’unità di ricerca associata a Trieste, da me coordinata. Inoltre, il gruppo è inserito all’interno del Consorzio Interuniversitario Nazionale per la Scienza e la Tecnologia dei Materiali (INSTM), traendo grande beneficio dalla vasta rete di competenze multidisciplinari presenti nel consorzio. Numerose sono le qualificate collaborazioni internazionali, tra le quali ad esempio l’Università di Filadelfia (USA), l’Università di Cadice (Spagna) e l’Università di Cracovia (Polonia). Molte attività sono state condotte in collaborazione con importanti realtà industriali nazionali ed internazionali (quali ad esempio Magneti Marelli, MEL Chemicals, Saes Getters, Acta/Idealab) realizzando innovativi processi e brevetti internazionali. Nel contesto è rilevante ricordare come alcuni significativi studi sono condotti in collaborazione con il gruppo di ricerca a cui afferiscono Davide Barreca di ISTM-CNR e Alberto Gasparotto dell’Università di Padova, vincitori del Premio Sapio 2009. Tecnologie per la produzione e purificazione del vettore energetico idrogeno I processi di produzione e di purificazione di idrogeno rappresentano alcuni importanti ed indispensabili stadi per l’effettiva realizzazione della cosiddetta economia ad idrogeno. Va osservato come l’idrogeno sia già un reattivo essenziale e sempre più massicciamente richiesto per molte reazioni industriali (purificazione della benzina, sintesi dell’ammoniaca – fertilizzanti…) e con importanti prospettive future nel settore dell’energia come possibile vettore energetico pulito in combinazione con efficienti celle a combustibile. I risultati ottenuti dimostrano che è possibile modulare efficacemente la dimensione di nanoparticelle metalliche utilizzando nella sintesi opportuni tensioattivi.



La crescita attorno a tali nanoparticelle di uno strato di un ossido poroso protettivo (Figura 1) le rende stabili rispetto a fenomeni di sinterizzazione indotti dalle alte temperature di reazione. Abbiamo quindi dimostrato che la stabilità in condizione di reazione di tali sistemi sia significativamente superiore a quella di tradizionali sistemi ottenuti depositando la fase attiva del catalizzatore sulla superficie esterna dell’ossido che funge da supporto. In tale modo è possibile produrre, già oggi, in maniera molto più efficiente, idrogeno dal metano o dal bioetanolo attraverso reazioni convenzionali quali quelle di reforming o di ossidazione parziale. Inoltre, con una visione strategica su un più lungo arco temporale, sono state gettate le basi per realizzare sistemi foto catalitici stabili ed attivi in grado di assorbire più efficacemente la radiazione solare, utilizzandola per generare idrogeno da soluzioni acquose contenti-en carboidrati. In particolare grande interesse riveste la possibilità di trasformare fotocataliticamente etanolo ottenuto da fermentazione di biomassa – glicerolo, sottoprodotto della produzione del biodiesel e glucosio, prodotto di degradazione della cellulosa ed altre molecole ossigenate derivanti da scarti dell’agricoltura o materiali tipo ligneocellulosa, in idrogeno e combustibili artificiali. Fotocatalizzatori per la degradazione di inquinanti organici presenti in acque reflue La riduzione della disponibilità di acqua dolce e il deterioramento della sua qualità a causa dell’inquinamento rappresenta, assieme al problema energetico, la vera limitazione ad uno sviluppo della nostra società, con drammatici risvolti soprattutto per i paesi in transizione e in via di sviluppo. La depurazione efficace e a basso costo energetico/ambientale da contaminazione delle acque da residui urbani, biologici, industriali ed agricoli rappresenta un crescente campo di ricerca.



Presso i nostri laboratori si stanno studiando innovativi nanocompositi a base di ossidi semiconduttori in grado di degradare fotocataliticamente inquinanti organici in composti non dannosi (Figura 2). Particolarmente interessante è lo sviluppo di sistemi progettati specificamente per la degradazione fotocatalitica di farmaci e di loro metaboli, che rappresentano, ad oggi, un significativo apporto inquinante. Questo settore ancora non sufficientemente sviluppato, richiederebbe opportuna sponsorizzazione anche in vista delle implicazioni nella catena alimentare. Miglioramento dell’efficienza e della stabilità di celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC) La crescente preoccupazione per una prossima riduzione della capacità estrattiva di greggio, accanto ad una domanda energetica mondiale in costante aumento e alla consapevolezza delle problematiche ambientali legate alle emissioni inquinanti derivanti dalla combustione di combustibili fossili, ha spinto negli ultimi decenni verso la ricerca di dispositivi in grado di generare energia in maniera più efficiente, a ridotto impatto ambientale e possibilmente alimentabili con combustibili rinnovabili. In questo contesto, le celle a combustibile (Fuel Cells), dispositivi che convertono l’energia chimica di un combustibile (fuel) in energia elettrica, hanno ricevuto particolare attenzione in quanto non richiedono processi di combustione e consentono una conversione nettamente superiore a quella dei convenzionali metodi termomeccanici basati sul ciclo di Carnot. In particolare, le celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC) possiedono un potenziale di sviluppo estremamente elevato sia per applicazioni residenziali che per impieghi industriali in sistemi ad alta potenza.

Le SOFCs utilizzano materiali a base di ossidi ceramici quali elettroliti solidi, e quindi debbono operare a temperature elevate (600 - 1000°C). Il calore che si dissipa a tali temperature può essere sfruttato sia per promuovere i processi di reforming del combustibile sia per generare vapore da utilizzarsi in un impianto convenzionale per la produzione di elettricità. Si può raggiungere così un’elevata efficienza. Nonostante i notevoli vantaggi presentati dalle celle SOFCs, l’elevata temperatura operativa presenta alcune significative limitazioni ad un loro utilizzo massiccio, quali ad esempio: (a) lunghi tempi per raggiungere le condizioni operative, (b) necessità di schermi termici di protezione e di isolanti per evitare la dissipazione di calore, (c) problemi di stabilità e quindi di disattivazione. In questo contesto si è collocata l’attività di ricerca del nostro gruppo che ha visto la progettazione e la realizzazione di innovativi catodi a base di ossidi di lantanio, ferro e nickel, opportunamente dopati con stronzio. Tali materiali hanno consentito un significativo miglioramento delle prestazioni di cella, che potrà portare in futuro ad una apprezzabile riduzione dei costi di esercizio.

Dottoressa con lastre per raggi x sullo sfondo

Parallelamente sono stati individuati alcuni fenomeni di disattivazione a seguito di prolungato utilizzo ad alte temperature ed in particolare alla progressiva perdita di attività dei catalizzatori a base di palladio presenti all’anodo delle celle stesse. L’utilizzo di catalizzatori preparati con la metodica di incapsulamento già descritta ha portato ancora una volta ad ottenere sistemi molto più stabili. Ciò apre nuove prospettive per una reale applicazione su larga scala di questa promettente tecnologia per una efficiente generazione di energia.