Qual è il ruolo delle leghe rare terre-magnesio-nickel nel miglioramento delle capacità di stoccaggio dell'idrogeno?

Le leghe rare terre-magnesio-nickel per lo stoccaggio dell’idrogeno rappresentano una delle innovazioni più promettenti nell’ambito della tecnologia dei materiali per l’immagazzinamento di idrogeno. Negli ultimi anni, sono state sviluppate nuove leghe di questo tipo, grazie alle loro caratteristiche uniche e alle potenzialità offerte dalla loro struttura cristallina. La struttura cristallina di queste leghe si forma attraverso l’impilamento di subunità [A2B4] e [AB5] lungo l'asse c, il che consente di ottenere diverse configurazioni di superlattice. La formula generale di queste leghe può essere espressa come segue:

Dove i numeri 1, 2, 3, 4 indicano le possibili combinazioni di composizione. Le leghe con struttura superlattice includono tipi come AB3, A2B7, A5B19, AB4, con diverse varianti, come nel caso della struttura AB3 che può essere rappresentata come A2B4 → AB5 → A3B9 → 3AB3. A seconda della struttura del superlattice, le leghe possono essere suddivise in due categorie principali: quelle con struttura tipo MgZn2, che assumono una configurazione del gruppo spaziale P63/mmc (2H-type), e quelle con struttura tipo MgCu2, che presentano una struttura con gruppo spaziale R-3m (3R-type).

La tipologia di lega di rare terre-magnesio-nickel è interessante non solo per le sue capacità di stoccaggio, ma anche per la sua alta stabilità strutturale e la reversibilità nei processi di assorbimento e rilascio dell’idrogeno. Le leghe di questo tipo combinano i vantaggi delle leghe AB2, che presentano una grande capacità di stoccaggio, con quelli delle leghe AB5, più facili da attivare. Inoltre, le strutture a superlattice tendono a essere più stabili rispetto alle strutture amorfe, il che migliora notevolmente la durata e l’efficienza dei cicli di idrogenazione.

Nel processo di preparazione delle leghe rare terre-magnesio-nickel, la composizione chimica e le condizioni di trattamento termico sono determinanti per la stabilità termodinamica e la formazione di strutture cristalline differenti. A causa delle diverse preferenze elettroniche di valenza, le leghe di questo tipo possono dar luogo a più fasi coesistenti che si trasformano l’una nell’altra sotto particolari condizioni. Ciò rende possibile ottenere leghe con una varietà di fasi cristalline, ma comporta anche delle sfide nella gestione delle proprietà di stoccaggio dell’idrogeno.

Studi recenti hanno portato allo sviluppo di leghe come la REMg2Ni9, in cui il metallo raro è parzialmente sostituito da metalli a massa atomica inferiore, migliorando significativamente la capacità di stoccaggio dell’idrogeno. Ad esempio, la lega CaMg2Ni9 ha raggiunto una capacità di stoccaggio reversibile di idrogeno pari a 1,48 wt% a 273 K, mentre la lega (Y0.5Ca0.5)(MgCa)Ni9 ha mostrato una capacità di 2 wt% a 263 K. Inoltre, leghe come (La0.65Ca0.35)(Mg1.32Ca0.68)Ni9 hanno dimostrato di avere una capacità di stoccaggio dell’idrogeno fino a 1,87 wt%, con una buona stabilità ciclica. Dopo 2000 cicli di assorbimento e rilascio, la capacità di stoccaggio rimane stabile a circa 1,61 wt%.

L'approfondimento sulle leghe rare terre-magnesio-nickel ha anche rivelato una maggiore versatilità nel miglioramento delle proprietà di stoccaggio dell’idrogeno rispetto ad altri materiali. Le leghe con struttura AB3, come il tipo CeNi3 (2H-type) e PuNi3 (3R-type), hanno mostrato promettenti risultati in termini di capacità di stoccaggio e stabilità. In particolare, la combinazione di elementi rari come il cerio e il gadolinio con nickel e magnesio è stata la chiave per ottenere materiali che rispondano meglio alle esigenze della tecnologia dell’idrogeno.

È fondamentale comprendere che la ricerca su queste leghe non si concentra solo sull’ottimizzazione della capacità di stoccaggio, ma anche sull’efficienza energetica, sulla durabilità a lungo termine e sulla possibilità di integrare questi materiali nei sistemi di stoccaggio dell’idrogeno a livello commerciale. L’evoluzione della ricerca e lo sviluppo di leghe più efficienti potrebbero spingere ulteriormente l’applicazione dell’idrogeno come combustibile pulito, riducendo la dipendenza da fonti fossili.

Quali sono le sfide e i progressi nella produzione e stoccaggio di idrogeno a partire da composti a base di boro e ammoniaca?

I composti a base di boro, come l’ammoniaca-borano (NH3BH3), sono considerati tra i candidati più promettenti per l’immagazzinamento chimico dell’idrogeno. Questi materiali hanno una densità di idrogeno significativamente alta e possono rilasciare idrogeno in modo controllato tramite reazioni di idrolisi, rendendoli ideali per applicazioni energetiche. Tuttavia, la loro applicazione pratica è ostacolata da alcune sfide tecniche, tra cui l'efficienza e la stabilità dei catalizzatori necessari per il rilascio dell'idrogeno. La ricerca in questo campo si è concentrata sullo sviluppo di nuovi catalizzatori, materiali di supporto e tecniche di sintesi per migliorare la produzione e lo stoccaggio di idrogeno.

Anche i materiali a base di carbonio, come il carbonio mesoporoso, sono stati esplorati per il supporto di nanoparticelle di palladio (Pd) o di leghe Pd-Ni, che si sono rivelati altamente efficienti nel promuovere la catalisi per l'idrolisi di NH3BH3. Le proprietà mesoporose di questi materiali li rendono particolarmente adatti per l’immagazzinamento e la liberazione controllata di idrogeno, in quanto offrono una superficie reattiva elevata e una distribuzione ottimale delle particelle catalitiche.

La ricerca ha anche messo in evidenza il ruolo di composti porosi come i framework organico-metallici (MOF) e i materiali a base di zeoliti nel migliorare l’immagazzinamento dell’idrogeno. Questi materiali presentano una rete reticolare che permette l'assorbimento e la desorbimento efficienti di idrogeno. I MOF, in particolare, sono molto promettenti grazie alla loro capacità di ospitare atomi di idrogeno in spazi molto piccoli e altamente ordinati, che possono migliorare la capacità di stoccaggio rispetto ai materiali tradizionali.

Le sfide principali restano legate alla stabilità dei materiali durante i cicli di rilascio e immagazzinamento dell'idrogeno. Molti dei composti studiati, infatti, subiscono una degradazione durante il processo di deidrogenazione, riducendo la loro efficacia nel tempo. Per questo motivo, la ricerca si è orientata anche verso soluzioni che prevedono l’uso di leghe metalliche più stabili o combinazioni di materiali che possano garantire una maggiore durata dei cicli.

Un altro aspetto cruciale riguarda l'ottimizzazione delle condizioni operative. Temperature e pressioni elevate sono spesso necessarie per favorire la liberazione di idrogeno dai composti di boro, ma queste condizioni possono compromettere la sicurezza e l'efficienza del processo. Pertanto, sono in corso studi per identificare modalità più sicure e sostenibili di attivazione dei composti di boro, che permettano un utilizzo pratico in applicazioni reali come la mobilità e il settore energetico.

Oltre a migliorare l'efficienza dei catalizzatori, è fondamentale considerare anche la sostenibilità e l'economicità della produzione di questi materiali. Le tecniche di sintesi devono essere scalabili e a basso costo, in modo che la produzione di idrogeno a partire da ammoniaca-borano possa diventare competitiva sul mercato globale. Questo implica una riflessione sull’uso delle materie prime, sulla gestione dei sottoprodotti e sulla minimizzazione dell’impatto ambientale dei processi.

Nell’ambito dei materiali di stoccaggio, la ricerca continua a esplorare soluzioni avanzate come l’uso di nanotubi di carbonio, che hanno dimostrato di possedere una capacità di stoccaggio dell’idrogeno notevolmente superiore rispetto ai materiali tradizionali. I nanotubi di carbonio, soprattutto quelli monostrato, presentano una superficie specifica elevata e una struttura che facilita l’assorbimento dell’idrogeno a temperatura ambiente, anche se la realizzazione pratica di dispositivi di stoccaggio efficienti e sicuri rimane una sfida.

Oltre ai catalizzatori e ai materiali di stoccaggio, è necessario prestare attenzione anche alle tecniche di gestione dell’idrogeno stoccato. La manipolazione dell’idrogeno in condizioni sicure e controllate è essenziale per garantire che l’idrogeno possa essere utilizzato efficacemente in sistemi energetici o come carburante per veicoli, senza compromettere la sicurezza degli utenti e dell’ambiente.