Stoccaggio reversibile di H2 a temperatura moderata mediante un nanocomposito trilaminare di boridruro di litio

Combustibile più pulito per la vita di tutti i giorni

L’idrogeno è spesso presentato come un combustibile pulito in grado di alimentare automobili, camion e persino interi quartieri emettendo solo acqua. Per rendere però questa visione pratica, servono modi sicuri e compatti per immagazzinare l’idrogeno a bordo dei veicoli a temperature moderate. Questo studio presenta un intelligente materiale nanostrutturato a “torta a strati” che può trattenere e rilasciare grandi quantità di idrogeno molto più facilmente di prima, avvicinando la mobilità a idrogeno a una concreta possibilità.

Una spugna di idrogeno promettente ma ostinata

Al centro di questo lavoro c’è il boridruro di litio, un solido capace di immagazzinare una quantità notevole di idrogeno in peso e in volume, il che lo rende interessante per l’uso veicolare. Il problema è che questo materiale è troppo stabile: in genere richiede temperature molto elevate per cedere l’idrogeno e non lo riassorbe facilmente, il che penalizza efficienza e durabilità. Negli ultimi due decenni gli scienziati hanno tentato molte strategie per addomesticarlo, come la miscelazione con altri elementi, la riduzione a nanoparticelle o l’incapsulamento in strutture porose. Questi accorgimenti hanno aiutato, ma le temperature richieste rimanevano ancora troppo alte per poter sfruttare principalmente il calore di scarto di una pila a combustibile.

Costruire un nano-sandwich a tre strati

I ricercatori hanno progettato una nuova struttura in cui gli ingredienti sono impilati in un ordine preciso a scala nanometrica. Lo strato inferiore è una lamina di grafene, una forma di carbonio ultra-sottile e resistente che funge da piattaforma di supporto. Su questa è stato formato uno strato intermedio di minuscoli agglomerati di nichel, lunghi solo pochi nanometri. Infine, nanoparticelle di boridruro di litio si sono aggregate a formare lo strato superiore, poggiando per lo più sul nichel piuttosto che direttamente sul grafene. Accurate immagini al microscopio elettronico hanno confermato questo trilayer, mostrando il grafene alla base, una distribuzione uniforme di nanocluster di nichel sopra di esso e uno strato di particelle di boridruro di litio in cima. Il contenuto di nichel e la dimensione delle particelle sono stati ottimizzati in modo che il boridruro di litio rimanesse finemente disperso e ben distribuito.

Immagazzinare più idrogeno a temperature più amichevoli

Quando il team ha testato come questo materiale trilaminare si comportasse con l’idrogeno, le prestazioni sono state sorprendenti. Rispetto al boridruro di litio puro, la temperatura necessaria per iniziare a rilasciare idrogeno è diminuita di oltre 100 gradi Celsius. Il composito poteva rilasciare circa il 10,5% in peso di idrogeno (rispetto alla porzione di boridruro di litio) con un riscaldamento moderato, e lo faceva molto più rapidamente rispetto al materiale non modificato. Ancora più importante, il materiale riusciva a riassorbire idrogeno a partire da circa 70 gradi Celsius—tra i valori più bassi riportati per questa famiglia di materiali—e poteva riassorbire fino al 12,3% in peso di idrogeno rispetto al contenuto di boridruro di litio. Ha inoltre resistito ad almeno 30 cicli carica–scarica con poca perdita di capacità, evitando la formazione di schiuma e la frammentazione che di solito affliggono questo composto quando viene riscaldato e raffreddato ripetutamente.

Come il nichel facilita il movimento dell’idrogeno

Per capire perché il trilayer funzionasse così bene, gli scienziati hanno combinato esperimenti con calcoli quantomeccanici. I loro modelli hanno mostrato che quando agglomerati ricchi di boro provenienti dal boridruro di litio si trovano direttamente sul nichel, il nichel riorganizza la rete di boro e dona elettroni ad essa. Questo indebolisce alcuni legami boro–boro e abbassa l’energia necessaria perché gli atomi di idrogeno si leghino, si muovano e formino nuovi gruppi boro–idrogeno. Simulazioni di molecole di idrogeno che si avvicinano all’interfaccia nichel–boro hanno rivelato che l’idrogeno si dissocia più facilmente sul nichel, e gli atomi di idrogeno risultanti possono migrare rapidamente sulla superficie e nella regione ricca di boro. Al contrario, quando gli agglomerati di boro si trovano su carbonio nudo, l’interazione elettronica tende a ostacolare il movimento dell’idrogeno. Inserendo il nichel tra grafene e boridruro di litio, il progettò incoraggia il flusso efficiente dell’idrogeno in entrata e in uscita mantenendo nel contempo le particelle attive saldamente ancorate.

Perché questo è importante per i veicoli a idrogeno futuri

In termini pratici, questo nanocomposito trilaminare agisce come una spugna altamente ingegnerizzata per l’idrogeno che assorbe e rilascia combustibile a temperature più vicine a quelle che i sistemi a celle a combustibile reali possono fornire. Il grafene fornisce supporto meccanico e aiuta a controllare la dimensione delle particelle; i nanocluster di nichel fungono da piccoli centri di reazione che dissociano e trasferiscono l’idrogeno; e il boridruro di litio trattiene grandi quantità di idrogeno in forma compatta. Insieme, superano barriere di lunga data come l’elevata temperatura di reazione e la scarsa reversibilità. Pur richiedendo ulteriori lavori per scalare il materiale e integrarlo in serbatoi di stoccaggio completi, questo studio offre un chiaro progetto per la progettazione di vettori solidi di idrogeno di nuova generazione che potrebbero rendere i veicoli a idrogeno molto più pratici.

Citazione: Zhang, W., Zhang, X., Li, C. et al. Reversible H₂ storage at moderate temperature by a trilayered lithium borohydride nanocomposite. Nat Commun 17, 3756 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69059-y

Parole chiave: stoccaggio di idrogeno, boridruro di litio, nanocomposito, catalizzatore a base di nichel, grafene