> FocusUnimore > numero 45 – marzo 2024
New catalysts for the electrolysis of water: Chimgeo’s PRIN
The PRIN 2022 project of the Department of Chemical and Geological Sciences, funded within the framework of the National Recovery and Resilience Plan, CHICOPEA (Chiral Coordination Polymers for Energy Applications), stems from the urgent need to decarbonise the world economy. Moving away from fossil energy sources is the challenge to be met and an integrated approach will be needed. The use of hydrogen as an energy source will certainly play a role. The current production of hydrogen from fossil sources accounts for 3% of total CO2 emissions, and switching to ‘green’ hydrogen, produced by electrolysis of water using renewable energies, would make it possible to completely cut this share of emissions. Unfortunately, the process of electrolysis of water requires catalysts composed of precious metals such as platinum and iridium, of which Italy and the European Union are not producers. The idea behind the CHICOPEA project is to use non-precious metals, such as iron, to produce new catalysts for the electrolysis reaction of water, exploiting what is known as the ‘Chirality-Induced Spin-Selection Effect’ (CISS effect) to improve its catalytic activity. The ultimate goal of the project is to be able to synthesise a catalyst with comparable performance to the precious metals currently used in electrolysers, but based on metals from the first transition phase.
Il progetto PRIN 2022 del Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche, finanziato nell’ambito del Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza, CHICOPEA (Chiral Coordination Polymers for Energy Applications), è coordinato dal Prof. Francesco Tassinari e ha origine dall’impellente necessità di decarbonizzare l’economia mondiale.
L’abbandono delle fonti energetiche fossili è la sfida del nostro tempo, e già sappiamo che per superarla non potremo affidarci ad una sola fonte alternativa, ma che sarà necessario un approccio integrato. In questo panorama, l’utilizzo dell’idrogeno come vettore energetico giocherà sicuramente un ruolo, per quanto marginale. Ad ogni modo, la produzione attuale di idrogeno da fonti fossili è comunque responsabile del 3% delle emissioni totali di CO2, e il passaggio ad idrogeno “verde”, prodotto per elettrolisi dell’acqua utilizzando energie rinnovabili, permetterebbe di abbattere completamente questa quota di emissioni.
Purtroppo il processo di elettrolisi dell’acqua richiede catalizzatori composti da metalli preziosi quali il platino e l’iridio, di cui l’Italia, ma più in generale l’Unione Europea, non è produttrice e che si vengono quindi a trovare nell’elenco delle materie prime critiche. L’idea alla base del progetto CHICOPEA è quella di utilizzare metalli non preziosi, come ad esempio il ferro, per produrre nuovi catalizzatori per la reazione di elettrolisi dell’acqua, sfruttando quello che è conosciuto come “effetto di Spin-Selezione Indotto dalla Chiralità” (effetto CISS) per migliorarne l’attività catalitica.
L’effetto CISS viene osservato quando si fa passare una corrente elettrica all’interno di un materiale chirale: mentre gli elettroni in entrata hanno una pari popolazione di spin, gli elettroni in uscita hanno una maggioranza di un dato stato di spin, che dipende dalla chiralità del sistema. Il materiale chirale funge come una sorta di filtro per lo spin degli elettroni, facendo passare solo elettroni con un tipo di spin. Questo effetto, oltre ad avere una grande importanza teorica, trova un’interessante applicazione proprio nella reazione di elettrolisi dell’acqua. Infatti, la reazione di elettrolisi dell’acqua porta alla formazione di idrogeno, ma anche alla contemporanea formazione di ossigeno, ed è proprio la reazione di formazione dell’ossigeno il collo di bottiglia dell’intero processo.
L’ossigeno nel suo stato fondamentale è in uno stato di tripletto, ossia ha all’interno dei suoi orbitali due elettroni con spin appaiati. Essere in grado di fare l’elettrolisi con elettroni aventi tutti lo stesso spin, cosa possibile se si utilizza un catalizzatore chirale, permette di abbassare l’energia richiesta per fare avvenire la reazione.
“All’interno del progetto CHICOPEA noi ci proponiamo di fabbricare una particolare famiglia di catalizzatori, finora inesplorata, che abbiamo battezzato CECCPs (Chiral Electrically Conductive Coordination Polymers) – commenta il Prof. Tassinari -. Questi si basano su una rete tridimensionale di leganti organici chirali multidentati che fungono da ponte e da ioni metallici che fungono da nodi di connessione tra i leganti, e che siano in grado di trasmettere le cariche elettriche in maniera efficace”.
Le attività del progetto prevedono la sintesi di nuovi leganti organici chirali, la sintesi dei catalizzatori e il test delle loro proprietà catalitiche, caratterizzazioni spettroscopiche ed elettriche delle loro proprietà, e una parte teorica in cui si cercherà di investigare la relazione tra la struttura dei catalizzatori sintetizzati e le loro proprietà di filtraggio di spin. Il progetto prevede poi un’importante parte di caratterizzazione dei materiali effettuata tramite stretta collaborazione con il sincrotrone Elettra di Trieste, dove verrà studiata la stabilità dei catalizzatori tramite una nuova tecnica XPS che permette di condurre misure in-operando.
L’obiettivo finale del progetto è di riuscire a sintetizzare un catalizzatore con prestazioni comparabili a quelle dei metalli preziosi attualmente in uso negli elettrolizzatori, ma basato su metalli della prima serie di transizione.
Il progetto CHICOPEA viene svolto in collaborazione tra Unimore, Unibo e il Consiglio Nazionale delle Ricerche.
