I ricercatori dell’Università di Birmingham hanno sviluppato un nuovo approccio a bassa temperatura per la produzione di idrogeno che potrebbe rendere questo combustibile pulito più economico e pratico da produrre. La tecnica potrebbe essere utilizzata sia in grandi impianti centralizzati che in sistemi locali più piccoli che sfruttano il calore di scarto proveniente da importanti attività industriali.
L’idrogeno è l’elemento più abbondante nell’universo ed è ampiamente considerato un’importante fonte di energia pulita. Se utilizzato come combustibile, produce solo acqua e calore, anziché anidride carbonica e altri inquinanti associati ai combustibili fossili. L’idrogeno può anche alimentare le celle a combustibile che generano elettricità. Nonostante questi vantaggi, circa il 95% della produzione di idrogeno odierna dipende ancora dai combustibili fossili.
Un nuovo catalizzatore riduce drasticamente le temperature di produzione dell’idrogeno.
Un metodo promettente per produrre idrogeno è la scissione termochimica dell’acqua, un processo in cui un catalizzatore separa l’acqua in idrogeno e ossigeno. I sistemi termochimici esistenti richiedono temperature estremamente elevate. La scissione dell’acqua avviene tipicamente a 700-1000 °C. IL C, mentre la fase di rigenerazione del catalizzatore spesso richiede temperature di 1300-1500 IL C prima che possa iniziare un altro ciclo di produzione.
Un team di ricerca guidato dal professor Yulong Ding della Facoltà di Ingegneria Chimica dell’Università di Birmingham ha dimostrato che queste temperature possono essere significativamente ridotte utilizzando un catalizzatore a base di perovskite.
Secondo i risultati pubblicati sull’International Journal of Hydrogen Energy , il nuovo catalizzatore ha generato quantità sostanziali di idrogeno a temperature comprese tra 150 e 500 IL C. Potrebbe anche essere rigenerato a temperature comprese tra 700 e 1000 IL C, circa 500 IL C inferiore rispetto agli approcci attuali.
Il professor Ding ha affermato: “La temperatura complessiva inferiore del processo potrebbe consentire la produzione di idrogeno in prossimità di impianti di generazione di energia rinnovabile, e settori industriali fondamentali come l’acciaio, il cemento, il vetro e la chimica dispongono di un’abbondanza di calore di scarto, che potrebbe essere sfruttato come fonte di calore per la produzione di idrogeno a bassa temperatura. Se l’idrogeno venisse utilizzato localmente, si supererebbero gli ostacoli presentati dallo stoccaggio e dal trasporto, consentendo così l’adozione del combustibile a idrogeno senza la necessità di costose infrastrutture.”
Potenziali vantaggi in termini di costi rispetto all’idrogeno verde e blu.
I ricercatori hanno anche condotto un’analisi economica preliminare. I loro risultati suggeriscono che la scissione dell’acqua utilizzando il nuovo catalizzatore a perovskite potrebbe produrre idrogeno a un costo inferiore sia rispetto all’idrogeno verde (prodotto dall’acqua tramite elettrolisi) sia rispetto all’idrogeno blu (prodotto dal metano con cattura e stoccaggio del carbonio).
Il beneficio economico è risultato particolarmente evidente nelle aree in cui l’elettricità da fonti rinnovabili è relativamente economica, come ad esempio in paesi quali l’Australia.
Il progetto è stato realizzato in collaborazione con l’Università di Scienza e Tecnologia di Pechino (USTB). L’Università di Birmingham sta ora lavorando alla commercializzazione della tecnologia nel Regno Unito e in Europa. University of Birmingham Enterprise ha depositato una domanda di brevetto relativa all’utilizzo di catalizzatori BNCF per la scissione dell’acqua a bassa temperatura ed è alla ricerca di partner per contribuire all’ulteriore sviluppo della tecnologia.
Perché la scissione termochimica dell’acqua è importante
Sebbene l’idrogeno sia l’elemento più abbondante nell’universo, l’idrogeno gassoso puro è raro sulla Terra. Si trova invece solitamente legato ad altri elementi, più spesso nell’acqua e nei combustibili idrocarburici come il gas naturale, il carbone e il petrolio. La produzione di idrogeno richiede la scissione di questi composti.
Oggi, il metodo di produzione dominante è il reforming a vapore, che separa l’idrogeno dal metano. Questo processo rappresenta quasi la metà della produzione globale di idrogeno. Tuttavia, genera anche CO₂ , limitandone i benefici ambientali a meno che non vengano aggiunti sistemi di cattura e stoccaggio del carbonio.
L’elettrolisi offre un’alternativa più pulita perché utilizza l’elettricità per scindere l’acqua in idrogeno e ossigeno. Ciononostante, rimane più costosa della produzione basata sul metano e attualmente soddisfa solo circa il 4% della domanda globale di H₂ .
Altri approcci emergenti si basano su reazioni fotoindotte per generare idrogeno dall’acqua. Sebbene promettenti, queste tecnologie fotoniche sono ancora in una fase iniziale e devono affrontare ostacoli legati all’efficienza, alla scalabilità e ai costi.
Come funziona il catalizzatore a perovskite
Le perovskiti sono materiali con una struttura reticolare in grado di assorbire ossigeno al loro interno e di contribuire alla scomposizione dei composti contenenti ossigeno.
Il team di Birmingham si è concentrato su un gruppo specifico di perovskiti note come perovskiti BNCF, composte da bario, niobio, calcio e ferro. Questi materiali sono relativamente abbondanti, non richiedono processi di produzione complessi e non contengono ingredienti tossici.
I ricercatori hanno scoperto che le perovskiti BNCF possono assorbire ossigeno a temperature molto più basse di quanto si pensasse in precedenza. Tra i materiali testati, una versione nota come BNCF100 ha fornito le prestazioni migliori.
Lo studio ha dimostrato che il BNCF100 può essere rigenerato a temperature inferiori rispetto ai catalizzatori di scissione dell’acqua esistenti, continuando a produrre idrogeno per oltre 10 cicli di produzione. L’analisi mediante diffrazione di raggi X ha rivelato cambiamenti strutturali minimi nel materiale durante i test, indicando una forte stabilità.
Il professor Ding ha dichiarato: “La nostra ricerca ha rivelato un catalizzatore in grado di produrre quantità considerevoli di idrogeno a temperature relativamente basse, e uno studio tecnico-economico preliminare dimostra che è economicamente vantaggioso rispetto ai tradizionali metodi di produzione di idrogeno, sia “blu” che “verde”.”
Abstract
Recent literature reports on two-step thermochemical water splitting on metal oxides present a promising pathway for sustainable H2 production. However, these processes require a high reduction temperature of ∼1300–1500 °C, which poses a significant challenge in material stability, reactor design, and practical operations. The development of cost-effective materials for such a pathway, which are capable of operating at lower temperatures, becomes a research frontier. Here, we present a recent study on thermochemical H2O splitting on Ba2Ca0.66Nb1.34-xFexO6-δ (x = 0.34, 0.66, 1), showing the potential for medium-temperature water splitting. The impacts of operating modes, reduction temperature, and water partial pressures on H2 production were investigated. Ba2Ca0.66Nb0.34FeO6-δ exhibited the highest thermochemical reactivity, producing ∼100 μmol/g of H2 over isothermal cycles at 700 °C. Notably, a significant increase in H2 yield was observed at a lower oxidation temperature. Over 10 cycles of thermal reduction at 1000 °C followed by the cooling-oxidation (1000-150 °C, 0.0419 atm of water partial pressure), an average H2 yield of 1014.22 μmol/g was achieved. The results provide evidence of effective H2 production capabilities of the material at a moderate temperature, demonstrating the promising pathway towards low-temperature H2 production via thermochemical splitting cycles.
Materiale fornito dall’Università di Birmingham . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
Biduan Chen, Wenyi Huang, Wei Guo, Lige Tong, Yulong Ding, Li Wang. Notevole scissione termochimica dell’acqua su perovskiti Ba2Ca0.66Nb1.34-xFexO6-δ a temperature medie per la produzione di idrogeno . International Journal of Hydrogen Energy , 2026; 236: 152637 DOI: 10.1016/j.ijhydene.2025.152637
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