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.
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.