Il palladio gioca un ruolo fondamentale come catalizzatore nelle celle a combustibile e negli elettrolizzatori usati per la produzione di idrogeno “verde“. Il palladio trova ampio impiego anche nelle marmitte catalitiche delle auto a benzina e in un gran numero di processi chimici utilizzati a livello industriale. Poiché il palladio esercita la funzione di catalizzatore favorendo le reazioni che avvengono sulla sua superficie, la costruzione di un catalizzatore efficiente richiede di aumentare il più possibile (a parità di massa totale) la superficie che viene messa a contatto con i reagenti. Un gruppo di ricerca giapponese ha sviluppato un metodo semplice ed efficace per produrre nano-fogli bidimensionali di palladio costituiti da circa 10 strati atomici sovrapposti. I catalizzatori basati su questo nuovo materiale promettono di avere una efficienza più elevata rispetto a quelli tradizionali.
Il termine nanotecnologie indica una vasta gamma di tecniche che consentono di preparare nuovi materiali caratterizzati da dimensioni che sono di poco superiori rispetto a quelle atomiche. Tra questi materiali rientrano anche i cosiddetti nano-fogli costituiti da pochi strati atomici sovrapposti che formano una struttura sostanzialmente bidimensionale (indicata con la sigla 2D). I nano-fogli sono uno strumento ideale per generare processi di catalisi eterogenea (reazioni chimiche che avvengono quando i reagenti presenti in un mezzo fluido interagiscono con la superficie solida di un catalizzatore).
Tra i catalizzatori più impiegati a livello industriale c’è senz’altro il palladio che è un metallo prezioso (il suo prezzo attuale è pari a circa la metà di quello dell’oro). Poiché – come ricordato precedentemente – il processo di catalisi avviene solo a livello superficiale, da sempre si è cercato di usare il palladio nella forma il più finemente suddivisa. Attualmente si utilizzano nano-sfere di palladio che possono essere impiegate da sole o dopo essere state depositate su un supporto di materiale inerte.
Un gruppo di ricerca giapponese ha recentemente annunciato di aver sviluppato un metodo semplice ed economico per produrre nano-fogli di palladio aventi una struttura 2D (spessore tipico di 1,8 nm corrispondente alla sovrapposizione di 10 strati atomici di palladio). I nano-fogli hanno una superficie di forma esagonale, di dimensione variabile (tipicamente intorno ai 50 nm). Più esagoni possono essere messi uno accanto all’altro per costruire superfici più estese.
I nano-fogli 2D prodotti in questo modo hanno – a parità di massa – una superficie 2,8 volte maggiore rispetto alle nanoparticelle sferiche che attualmente sono utilizzate per la preparazione dei catalizzatori a base di palladio. Inoltre la particolare struttura dei nano-fogli modifica le proprietà elettroniche del palladio rispetto ai valori che si osservano nel metallo di dimensioni macroscopiche, aumentando la capacità di catalisi. Secondo gli Autori, il loro materiale 2D consentirà di preparare catalizzatori in grado di superare nettamente – in termini di prestazioni – i catalizzatori attualmente presenti sul mercato.
Va sottolineato che studi effettuati in precedenza avevano già dimostrato la possibilità di produrre nano-fogli di palladio. La principale novità di questo lavoro consiste nell’aver messo a punto una procedura efficace ed economica che genera nano-fogli 2D di elevata purezza e può essere facilmente riprodotta su una scala industriale. Passiamo quindi dalla semplice curiosità di laboratorio ad un processo che potrebbe avere un concreto impatto dal punto di vista pratico.
Forse i commenti degli Autori sono un po’ troppo ottimistici e prima di passare a vere e proprie applicazioni su scala industriale bisognerà completare una ulteriore fase di sviluppo, ma il risultato presentato dai ricercatori giapponesi è comunque molto interessante. Il palladio è un materiale raro e costoso e ogni anno se ne consumano – a livello mondiale – poco meno di 300 tonnellate, per l’80% destinate alle marmitte catalitiche delle auto a benzina. I principali produttori di palladio sono Russia e Sudafrica. Circa un quarto del consumo mondiale è coperto dal riciclo di marmitte catalitiche esauste.
Il progressivo passaggio all’auto elettrica farà calare drasticamente l’uso del palladio nell’ambito automobilistico “tradizionale“, ma – nel contempo – si prevede una forte espansione del suo utilizzo nella produzione di idrogeno “verde“, nonché nelle celle a combustibile utilizzate per produrre energia elettrica partendo dall’idrogeno.
In conclusione, il passaggio dalle nano-sfere ai nano-fogli potrà contribuire ad una riduzione del prezzo dei catalizzatori a base di palladio favorendo la diffusione di alcuni dispositivi essenziali per la transizione energetica come, ad esempio, gli elettrolizzatori e le celle a combustibile. Forse non sarà la “rivoluzione dell’energia verde” annunciata dai ricercatori dell’Università di Nagoya (Giappone), ma potrebbe essere comunque un passo significativo per lo sviluppo di un sistema economico-industriale più amico dell’ambiente e del clima.
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