Ambiente ed energia

Tecnologie convergenti. È il termine col quale viene oggi designata la combinazione sinergica di nanotecnologie, biotecnologie, tecnologie per l’informazione e scienze cognitive, ognuna delle quali sperimenta attualmente una rapida e continua evoluzione. Le nanotecnologie sono intrinsecamente creative ed abilitanti, e permettono nuove potenzialità ed ampi margini di progresso in svariati settori. Ci si aspetta che attraverso la convergenza di questi settori, originariamente distinti, scienza e tecnologia possano raggiungere traguardi inattesi, fornendo nuovi prodotti e servizi che possono portare al miglioramento della qualità della vita, con ricadute sia su ciascun essere umano che sull’intera società. Esempi rappresentativi riguardano sistemi per l’abbattimento di inquinanti dell’aria e per la depurazione delle acque, nonché processi per la generazione di energia alternativa, condotta in maniera pulita, efficiente e nel pieno rispetto dell’ambiente.

Le attività di ricerca condotte in stretta sinergia tra il CNR e l’Università di Padova e sotto l’egida del consorzio INSTM, si contraddistinguono per le consolidate e forti sinergie nei settori sopra citati, fornendo un know-how di avanguardia altamente interdisciplinare e costituendo un punto di eccellenza internazionalmente riconosciuto.

Esempi rappresentativi a tal proposito spaziano dal settore della produzione sostenibile di energia (celle a combustibile, generazione di idrogeno), alla rilevazione ed abbattimento di inquinanti immessi nell’atmosfera da emissioni veicolari ed industriali. Le ricerche in questione si basano sulla realizzazione di nanomateriali innovativi a base di ossidi e metalli che trovano impiego nel settore delle energie rinnovabili, dell’efficienza energetica e dei processi sostenibili. Il fine ultimo è lo sviluppo di nuove tecnologie per la produzione di nanomateriali altamente efficienti e destinati ai due seguenti filoni di rilevanza strategica:
• produzione sostenibile di energia: i nanomateriali realizzati sono in grado di promuovere la generazione di idrogeno dall’acqua qualora attivati da radiazione ultravioletta o visibile. Lo sviluppo di queste ricerche potrà condurre alla produzione di idrogeno anche tramite l’utilizzo della semplice luce solare, permettendo di immagazzinare l’energia del sole sotto forma di idrogeno producendolo direttamente dall’acqua;
• rilevazione ed abbattimento degli inquinanti di acqua ed aria: le peculiari caratteristiche dei materiali realizzati li rendono estremamente efficienti nella rilevazione, anche in bassissime concentrazioni, di gas inquinanti e di sostanze tossiche dannose per l’ambiente e la salute umana.

La versatilità dei nanomateriali studiati e la possibilità di modificarne in modo mirato le proprietà consentono il loro impiego anche per l’abbattimento di inquinanti in prodotti non tossici promosso dalla luce. Le sintesi di interesse vengono usualmente impostate e condotte secondo criteri di efficienza e selettività dettati da una moderna chimica sostenibile. In particolare, oltre ad un limitato consumo di materie prime, un vantaggio chiave di tali procedure è quello di essere caratterizzate da emissioni nocive praticamente nulle, che le rende intrinsecamente “amiche dell’ambiente”. I risultati conseguiti, oltre che per il loro valore scientifico, possiedono elevate potenzialità di trasferimento ad applicazioni industriali attraverso l’affermazione commerciale di sensori di gas efficienti ed affidabili, di sistemi di trattamento/depurazione di acqua e aria e di nuove tecnologie per la produzione di energia, data l’importanza strategica dell’idrogeno quale vettore energetico. Ma vediamo più in dettaglio di che si tratta.



Produzione sostenibile di energia
Le celle a combustibile, dispositivi che convertono un combustibile in energia elettrica, hanno interesse applicativo strategico in quanto non richiedono combustione di reagenti di origine fossile, riducendo enormemente l’emissione sia di gas clima-alteranti, quali la CO2, sia di altri inquinanti, quali idrocarburi e polveri sottili. La flessibilità operazionale e costruttiva conferisce a tali sistemi un potenziale di sviluppo estremamente elevato nel settore della produzione energetica in alternativa ai metodi convenzionali basati sull’uso del petrolio. In questo contesto, il gruppo di ricerca di Padova è stato coordinatore nazionale di un’iniziativa ministeriale FISR riguardante la messa a punto di nuovi nanosistemi inorganici ed ibridi come materiali elettrodici ed elettrolitici per lo sviluppo e l’innovazione delle due grandi categorie di celle a combustibile (PEFCs, Polymer Electrolyte Fuel Cells, e SOFCs, Solid Oxide Fuel Cells), utili rispettivamente per applicazioni portatili (telefonia cellulare, computer, i-pod,….) e di potenza stazionaria per uso domestico o industriale. In quest’ambito, sono stati conseguiti originali risultati di avanguardia nella sintesi di nanomateriali inorganici ed ibridi e nei test delle loro funzionalità in celle opportunamente assemblate. In aggiunta, è importante rilevare che, ponendo l’accento sul rapporto energia- ambiente, il gruppo ha consolidato un network scientifico internazionale focalizzato anche sullo sviluppo di materiali per la produzione di combustibili più puliti e, in particolare, dell’idrogeno nell’alimentazione delle celle. In tal senso, i catalizzatori studiati ben si prestano per la loro multifunzionalità ad essere indirizzati ed ingegnerizzati in questo settore, che rappresenta la naturale integrazione per il sistema delle celle a combustibile, aprendo ulteriori prospettive per l’efficienza e la sicurezza energetica.

L’interesse e l’impatto tecnologico di tali attività di ricerca sono fortemente sostenuti dalla loro collocazione inmercati estremamente dinamici ed in netta crescita, come quello delle tecnologie fotocatalitiche per la produzione di idrogeno. Tali procedure consistono nella generazione di H2 a partire da soluzioni acquose irraggiate con luce ultravioletta o visibile, promossa da opportuni nanomateriali a base di ossidi di metalli. La ricaduta tecnologica e l’impatto di tali processi risultano di ampia portata e di sicuro successo, se si considera che, in prospettiva, potrebbe essere possibile l’utilizzo di semplice luce solare, una risorsa intrinsecamente rinnovabile, per la produzione efficiente e pulita di idrogeno quale vettore energetico del futuro.


Rilevazione ed abbattimento degli inquinanti di acqua ed aria
Il forte potenziale innovativo dei nanosistemi risiede nella loro multifunzionalità, che consente non solo di rilevare la presenza di inquinanti, ma anche di convertirli in prodotti non tossici o chimicamente utili attraverso processi sequenziali che coinvolgono un unico materiale attivo. Le strategie di sintesi sviluppate in maniera del tutto originale presso i nostri laboratori consentono un efficace ed attento controllo della struttura e morfologia dei materiali prodotti, che spaziano da compositi metallo-ossido ed ossidoossido a sistemi ad unica fase con composizione complessa, consentendo di modularne l’efficienza in funzione delle specifiche necessità applicative. Il semplice controllo della risposta elettrica o ottica di tali sistemi permette di rilevare, anche in piccole tracce, svariati tipi di inquinanti. A titolo di esempio, tra questi vanno annoverati il monossido di carbonio, un gas incolore ed inodore altamente tossico per la salute umana, e gli ossidi di azoto, responsabili delle piogge acide, entrambi immessi nell’atmosfera a seguito di processi di combustione.

D’altro canto, è di importanza chiave anche un’efficiente rivelazione in-situ di combustibili infiammabili e/o potenzialmente esplosivi, quali il metano e l’idrogeno, e di alcoli, per il controllo della sicurezza stradale. Quindi, queste attività di ricerca possiedono una strategica ricaduta prospettica per una vasta gamma di applicazioni, dal controllo dei processi di combustione delle caldaie al monitoraggio delle emissioni nell’atmosfera originate da attività antropiche (trasporti, produzioni industriali), fino alla messa a punto di etilometri portatili più efficienti e selettivi di quelli tradizionalmente in commercio.

Di grande interesse è la possibilità di utilizzare i nanomateriali ottenuti non solo per la degradazione di prodotti chimici tossici immessi nell’aria, quali quelli di cui sopra, ma anche di composti tossici, quali coloranti, immessi nelle acque reflue, che hanno conseguenze estremamente negative non solo per la sopravvivenza dei vari ecosistemi, ma anche per l’impatto sulla catena alimentare. L’intuizione chiave è stata quella di poter sfruttare processi fotocatalitici, del tutto analoghi a quelli proposti per la generazione di idrogeno, anche per la conversione degli inquinanti in prodotti a basso o nullo impatto ambientale.

Ne consegue, in prospettiva, la possibilità di rivestire opportune lampade con i nanomateriali attivi, per la depurazione di aria ed acqua in un’ampia varietà di situazioni della vita quotidiana. L’assenza sul mercato attuale di prodotti simili e, per contro, la presenza di tecnologie tradizionali ormai mature, lasciano presagire un potenziale enorme in termini di vantaggio competitivo sia per i costi di esercizio, sia per l’impatto sull’ambiente e sulla salute umana. Ulteriore vantaggio chiave di tali attività è senza dubbio la costituzione di forti sinergie tra centri di ricerca e piccolemedie imprese, in grado di favorire lo sviluppo occupazionale ed aumentare l’attrattività del territorio attraverso opportune iniziative industriali (spin-off, joint venture, etc.), anche in collaborazione con la Regione Veneto, il Governo Italiano e l’Unione Europea.