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’acido formico, vettore liquido sicuro, può immagazzinare H₂ verde e diventare una soluzione scalabile grazie ai nuovi catalizzatori al manganese

L'idrogeno verde è cruciale per la transizione energetica, ma lo stoccaggio ad altissime pressioni o a temperature criogeniche (-253°C) presenta costi e rischi elevati. L'acido formico (HCOOH) si impone come uno dei vettori liquidi organici di idrogeno (LOHC) più promettenti: essendo liquido a temperatura ambiente, permette di trasportare idrogeno in modo sicuro usando le infrastrutture già esistenti. Grazie alla ricerca su innovativi catalizzatori economici al manganese che convertono la CO₂ industriale, l'acido formico si prepara a diventare la "spugna chimica" per rendere l'idrogeno un carburante davvero scalabile e distribuito.

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Perché l’acido formico è rilevante nella transizione energetica

L'acido formico (HCOOH) e i suoi sali (formiati) emergono come soluzioni estremamente rilevanti nella transizione energetica, poiché agiscono come vettori chimici in grado di superare i limiti logistici dell'idrogeno puro

L'idrogeno presenta sfide significative per quanto riguarda la densità energetica volumetrica e la sicurezza.

Allo stato gassoso, l'idrogeno richiede pressioni elevatissime o serbatoi di grandi dimensioni; allo stato liquido, necessita di temperature criogeniche (-253°C). Questi sistemi sono costosi da produrre e mantenere.

Essendo altamente infiammabile, lo stoccaggio dell'idrogeno richiede misure di sicurezza rigorose e tecnologie avanzate per prevenire incidenti

Per ovviare a queste criticità, la ricerca punta su vettori liquidi più semplici da gestire. L'acido formico si distingue per diverse ragioni strategiche:

·       Stato fisico ottimale. È liquido a temperatura ambiente, il che lo rende molto più facile e sicuro da trasportare e stoccare rispetto all'idrogeno compresso o liquido.

·       Infrastruttura esistente. L'acido formico è già prodotto su larga scala industriale per altri utilizzi (come conservante, agente antibatterico o nella concia delle pelli). Questa maturità industriale facilita la creazione di una filiera logistica dedicata.

·       Rilascio controllato di H₂​. Può rilasciare idrogeno su richiesta attraverso un semplice processo di deidrogenazione catalitica a temperature moderate. Questa caratteristica lo rende ideale per alimentare celle a combustibile in applicazioni di mobilità leggera o stoccaggio energetico distribuito

La pertinenza dell'acido formico è ulteriormente accresciuta dalle recenti innovazioni tecnologiche:

• ·       Sostenibilità e CO₂​. La produzione può diventare totalmente "verde" convertendo la CO₂​ atmosferica o industriale utilizzando idrogeno prodotto tramite elettrolisi rinnovabile. Questo approccio non solo stocca energia, ma contribuisce alla riduzione dei gas serra.
• ·       Catalizzatori al manganese. Tradizionalmente, la conversione richiedeva metalli preziosi costosi. Studi recenti hanno identificato nel manganese (metallo abbondante e a basso costo) un catalizzatore efficace e stabile, aprendo la porta a una produzione scalabile ed economica.

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Cos’è un vettore liquido di idrogeno (LOHC)

Un LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier) è, in parole semplici, una molecola che funge da "spugna chimica" per l'idrogeno: lo assorbe attraverso una reazione chimica per immagazzinarlo e lo rilascia solo quando serve

L'acido formico è considerato uno dei LOHC più promettenti per diverse ragioni strategiche

• Stabilità e stato liquido. A differenza dell'idrogeno puro, che deve essere compresso a pressioni altissime o raffreddato a -253°C, l'acido formico è liquido a temperatura ambiente. Questo lo rende estremamente stabile e facile da gestire per lunghi periodi senza perdite significative.
• Sicurezza elevata. Poiché è un liquido non esplosivo a condizioni normali, i rischi legati al trasporto e allo stoccaggio sono drasticamente ridotti rispetto all'idrogeno gassoso ad alta pressione.
• Compatibilità con le infrastrutture esistenti. L'acido formico è già prodotto su larga scala industriale per usi come conservante o nella concia delle pelli. Di conseguenza, è possibile adattare le infrastrutture logistiche già esistenti (come quelle per il petrolio o i prodotti chimici) per il suo trasporto, abbattendo i costi di transizione.
• Rilascio controllato di H₂​. L'idrogeno può essere estratto dall'acido formico in modo preciso e su richiesta attraverso un processo di deidrogenazione catalitica che avviene a temperature moderate. Questo lo rende ideale per alimentare celle a combustibile in modo sicuro 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.

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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