Sostenibilità e riduzione dei costi grazie ai metalli poveri

conversione CO₂ H₂ in acido formico per stoccare idrogeno e ridurre le emissioni (DMR-AI02_26)

L’uso del manganese nella conversione CO₂‑H₂ rende i catalizzatori più stabili e sostenibili, aprendo nuove possibilità per stoccare idrogeno e ridurre le emissioni

La transizione verso l'idrogeno richiede processi scalabili ed economici. L'utilizzo del manganese nei processi di idrogenazione della CO₂ abbatte uno dei principali ostacoli industriali: la dipendenza da metalli rari e tossici. Lo studio dei ricercatori di Yale dimostra che, attraverso una progettazione molecolare avanzata, è possibile ottenere catalizzatori stabili e ad alta frequenza di turnover. Questa "porta" verso l'immagazzinamento dell'idrogeno apre nuove prospettive per la decarbonizzazione industriale, permettendo di trasformare le emissioni di carbonio in un sistema di accumulo energetico flessibile e a basso impatto ambientale.

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Per favorire l'implementazione dell'energia da idrogeno, i vettori di H₂ sono considerati un'alternativa affidabile per il trasporto dell'idrogeno. I vettori di idrogeno più comuni includono composti organici liquidi (come toluene, dibenziltoluene o N-etilcarbazolo), ammoniaca, metanolo, acido formico e idruri chimici. Queste sostanze possono rilasciare H₂ su richiesta attraverso deidrogenazione o reazioni elettrochimiche, offrendo un modo flessibile per integrare l'idrogeno nelle infrastrutture energetiche. Tra queste, l'acido formico (HCOOH) è un candidato interessante grazie al suo contenuto di idrogeno (4,4% in peso) e al semplice processo di deidrogenazione.

L’acido formico è già prodotto su scala industriale e trova impiego come conservante, agente antibatterico e nella concia delle pelli. Inoltre è considerato una promettente porta per l’immagazzinamento dell’idrogeno: l’acido formico, oppure un suo sale (formiato), può infatti fungere da vettore chimico per rilasciare H₂ in celle a combustibile, a patto che la sua produzione sia sostenibile ed efficiente.

Oggi l’acido formico è ottenuto principalmente da materie prime derivate da combustibili fossili, il che ne riduce i benefici climatici. Una via più pulita è convertire direttamente la CO₂ atmosferica in acido formico, usando idrogeno prodotto per elettrolisi alimentata da elettricità rinnovabile. Questo approccio offre due vantaggi principali: riduzione delle emissioni di gas serra e produzione di un composto chimico utile per l’industria e per lo stoccaggio energetico.

La conversione di CO₂ in formiato richiede catalizzatori efficaci. Finora i migliori catalizzatori sono spesso basati su metalli preziosi: costosi, scarsi e talvolta tossici. I metalli più abbondanti, invece, tendono a degradarsi rapidamente, perdendo attività e durata, e questo ha ostacolato la diffusione di processi sostenibili ed economici.

Nuovo sviluppo: catalizzatori a base di manganese

Un recente studio di ricercatori della Yale University e dell’Università del Missouri mostra che catalizzatori a base di manganese possono convertire efficacemente la CO₂ in formiato. Il manganese è abbondante e a basso costo, rendendolo un candidato interessante per sostituire metalli preziosi. Nel lavoro vengono progettati leganti ausiliari che:

·       Prevengono la decomposizione del complesso catalitico.

• ·       Incorporano un donatore reversibilmente legabile al centro metallico, che può staccarsi e riattaccarsi durante il ciclo catalitico.
• ·       Consentono di regolare la forza di legame del donatore emilabile, aumentando la stabilità e la durata del catalizzatore.
• Grazie a queste scelte di progettazione, i catalizzatori al manganese mostrano tempi di vita più lunghi e frequenze di turnover (TOF) e numeri di turnover (TON) che superano molti catalizzatori a base di metalli di prima fila o preziosi.

Implicazioni pratiche e industriali

• ·       Economia e sostenibilità: l’uso del manganese può ridurre i costi e migliorare la sostenibilità della produzione di formiato da CO₂, rendendo più praticabile una filiera chimica circolare basata su elettricità rinnovabile.
• ·       Stoccaggio dell’idrogeno: formiato prodotto in modo sostenibile potrebbe diventare un vettore pratico per lo stoccaggio e il trasporto di idrogeno, utile per celle a combustibile in applicazioni mobili e stazionarie.
• ·       Scalabilità: la maggiore disponibilità e il minor costo del manganese facilitano la scalabilità rispetto ai catalizzatori a base di metalli preziosi, ma resta da dimostrare l’efficienza su scala industriale e la robustezza in condizioni operative reali.

Limiti, rischi e passi successivi necessari

• ·       Efficienza energetica complessiva: è necessario valutare il bilancio energetico dell’intero processo (elettrolisi per H₂, conversione CO₂→formiato, eventuale rigenerazione), per assicurare che il percorso sia competitivo rispetto alle tecnologie esistenti.
• ·       Durata a lungo termine: servono test prolungati in condizioni industriali per confermare la stabilità e la resistenza a contaminanti reali presenti nei flussi di CO₂.
• ·       Economia di processo: occorre ottimizzare la sintesi dei leganti e la preparazione dei catalizzatori per mantenere bassi i costi complessivi.
• ·       Integrazione di filiera: sviluppare catene di fornitura che colleghino cattura della CO₂, produzione di H₂ rinnovabile e impianti di idrogenazione a formiato.

Stato tecnologico e industriale

Attualmente gruppi industriali e di ricerca stanno sviluppando catene complete “CO₂ → formico → trasporto → deidrogenazione” e dimostratori su scala pilota

Attualmente la tecnologia è ancora a livello di laboratorio e impianto pilota. Non è stata consolidata ancora una soluzione commerciale dominante per il trasporto su larga scala dell’idrogeno

• ·       Power-to-X e Power-to-Liquid: il formiato rientra tra i composti studiati per immagazzinare energia elettrica rinnovabile sotto forma chimica. Alcuni progetti di Power-to-Gas includono anche il formiato come opzione liquida per lo stoccaggio dell’idrogeno.
• ·       Strategia Nazionale Idrogeno (Italia): il documento del Ministero dell’Ambiente menziona l’importanza di vettori liquidi per il trasporto e lo stoccaggio dell’idrogeno, ma non cita esplicitamente il formiato come tecnologia già adottata.
• ·       Tesi e studi universitari: analizzano il formiato tra le opzioni teoriche per lo stoccaggio, evidenziando vantaggi e limiti rispetto ad altri vettori come ammoniaca o LOHC.

Perché il formiato è promettente ma non ancora industriale

Comparazione tra i potenziali vettori

·         Formiato / Acido formico (HCOOH) — liquido a temperatura ambiente, può essere prodotto da CO₂ + H₂; rilascia H₂ tramite deidrogenazione catalitica.

·         Ammoniaca (NH₃) — vettore consolidato, alta densità di idrogeno, infrastrutture già esistenti; richiede cracking ad alta temperatura.

·         LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carriers) — molecole organiche che si idrogenano/deidrogenano ciclicamente (es. N‑ethylcarbazole); liquidi stabili e sicuri.

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