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118 Efficiency & Environment - Marzo 2019 Speciale Nanotecnologie per l’energia illuminato dalla luce ultravioletta è spesso utilizzato come catalizzatore, ma l’utilizzo di luce ultravioletta è inefficiente. I ricercatori hanno dunque utilizzato il nuovo materiale al po- sto della luce ultravioletta, sfruttando l’energia della luce visi- bile e infrarossa per eccitare gli elettroni delle nanoparticelle d’oro. Aprendo la strada a un migliore utilizzo dell’idrogeno per immagazzinare energia solare. Il discorso dell’idrogeno porta subito a quello delle celle a combustibile, dove continuano i progressi e si avvicina il momento di una loro ampia diffusione; con le nanotecno- logie come protagoniste principali e con importanti centri di ricerca e università coinvolti in partnership internaziona- li. Come nel caso della collaborazione tra Sissa, CNR-IOM e Sincrotrone Elettra di Trieste ai quali si sono aggiunte le Università di Barcellona, Erlangen-Nürnberg e Praga: insie- me hanno messo a punto una descrizione puntuale di come controllare la carica elettrica delle nanoparticelle di platino, un catalizzatore importante nelle celle a combustibile, per ottenere la massima efficienza nel processo. Nel campo del- le rinnovabili i catalizzatori sono fondamentali e gli sforzi della ricerca sono indirizzati a massimizzarne l’efficienza. Fra le caratteristiche che mediano l’efficienza catalitica di una nanoparticella c’è la sua carica elettrica, che è difficile da quantificare in sistemi tecnologicamente rilevanti, dove le particelle interagiscono con le superfici di altri materia- li. Per questi catalizzatori non c’era una misura ben definita che ora invece è possibile grazie a questa ricerca, finanziata dal progetto europeo ChipCAT, che ha stabilito delle linee guida per controllare la carica delle nanoparticelle e per ot- tenere catalizzatori di massima efficienza. Sempre sul tema delle celle a combustibile, in particolare per quanto riguarda il loro funzionamento nei dispositivi elettronici portatili, ci sono diversi nanomateriali, tra l’altro basati su composti metallo-organici nanoporosi, che sem- brano promettenti ed economicamente realizzabili. Restando nel campo dello stoccaggio, stanno assumendo importanza crescente le soluzioni per l’accumulo di ener- gia termica. La richiesta di energia negli edifici, ad esempio, può essere significativamente ridotta utilizzando materiali a cambiamento di fase come i depositi di calore latente. Inte- ressanti da un punto di vista economico sono anche i depo- siti di adsorbimento basati su materiali nanoporosi come le zeoliti, che potrebbero essere applicati come depositi di ca- lore nelle reti di teleriscaldamento o nell’industria. L’adsorbi- mento di acqua nella zeolite consente lo stoccaggio reversi- bile e il rilascio di calore. Il consumo di energia Infine i consumi e quindi le applicazioni che più possono impattare sulla quotidianità di tutti, aziende, istituzioni e singoli cittadini. Il tema dominante qui è quello del rispar- mio energetico e le nanotecnologie offrono una moltepli- cità di approcci e di soluzioni. Consideriamo alcuni ambiti applicativi. Nell’automotive si possono ottenere riduzione del consu- mo di carburante attraverso materiali da costruzione leggeri sulla base di nanocompositi; si può realizzare un’ottimizza- zione della combustione del carburante attraverso compo- nenti del motore più resistenti all’usura e più leggeri e con del biossido di carbonio per la produzione di energia nelle centrali a carbone, al fine di ren- dere più rispettoso dell’ambiente questo meto- do di generazione di energia, ancora così diffu- so in molti Paesi nonostante i ricorrenti appelli e i programmi di decarbonizzazione. L’utilizzo delle nanotecnologie per il poten- ziamento dei sistemi di accumulo di energia elettrica, come le batterie e i super-condensa- tori, risulta decisamente promettente. A causa dell’alta tensione delle celle e della straordina- ria energia e densità di potenza, la tecnologia agli ioni di litio è considerata la variante più promettente di immagazzinamento dell’ener- gia elettrica. Le attuali batterie agli ioni di litio hanno elet- trodi in carbonio, di solito in grafite: a ogni ciclo di carica gli ioni di litio penetrano tra gli strati di grafite che può immagazzinarli efficiente- mente. Purtroppo, però, questo processo ciclo dopo ciclo tende a distruggere la grafite. Ecco allora che possono intervenire le nanotecnolo- gie, con quello che è il materiale principe, su- perstar indiscussa di questi anni: il grafene. La sua elevata area superficiale - fino a 2.600 metri quadri per un singolo grammo - gli permette di resistere meglio, a differenza della grafite, all’in- tercalazione degli ioni in una batteria; la sua flessibilità e l’elevata conducibilità elettrica lo rendono un materiale promettente per creare nuove batterie e supercapacitori per alimentare automobili ibride, cellulari di lunga durata o di- spositivi flessibili. Le nanotecnologie possono migliorare in modo decisivo la capacità e la sicurezza delle batterie agli ioni di litio anche attraverso nuovi sepa- ratori ceramici, resistenti al calore e flessibili e materiali per elettrodi ad alte prestazioni. A lungo termine, anche l’idrogeno sembra es- sere un promettente magazzino di energia per l’approvvigionamento energetico rispettoso dell’ambiente. Oltre alle necessarie regolazio- ni della nanostruttura, lo stoccaggio efficien- te dell’idrogeno è considerato uno dei fattori critici di successo sulla strada verso una sua possibile gestione. Diversi tipi di nanomateriali possono essere adatti per lo stoccaggio dell’i- drogeno. Secondo uno studio condotto dai ricercatori dell’Università Rutgers-New Brunswick, mi- nuscole nanoparticelle d’oro a forma di stella, rivestite da un semiconduttore (il biossido di titanio), possono produrre idrogeno dall’acqua in modo quattro volte più efficiente rispetto ai precedenti sistemi. I ricercatori statunitensi si sono concentrati sulla fotocatalisi nella pro- duzione di idrogeno, processo che in genere grazie alla luce del sole rende più veloci o più economiche le reazioni. Il biossido di titanio