Un nuovo Pr3ZrO8-δ altamente deificiente in ossigeno e cubico per la produzione termochimica di ossigeno e idrogeno a temperatura intermedia

Trasformare il calore in carburante pulito

L’idrogeno è spesso definito il combustibile del futuro, ma oggi la maggior parte viene prodotta dal gas naturale, con grandi emissioni di anidride carbonica. Questo studio esplora una via diversa: usare il calore invece di combustibili fossili o di grandi quantità di elettricità per estrarre idrogeno e ossigeno dall’acqua. I ricercatori presentano un nuovo materiale solido che può immagazzinare e rilasciare ossigeno ripetutamente a temperature relativamente elevate ma moderate, aprendo la strada a una produzione di idrogeno più pulita sfruttando il calore solare concentrato o il calore di scarto industriale.

Una danza in due passi con l’acqua

La tecnologia al centro di questo lavoro è un ciclo termochimico “in due passi”. Nel primo passo, un ossido solido viene riscaldato in un gas povero di ossigeno in modo da cedere parte del suo ossigeno. Nel secondo passo, il solido parzialmente svuotato viene esposto al vapore a temperatura più bassa. I siti mancanti di ossigeno nel solido sottraggono ossigeno dalle molecole d’acqua, lasciando dietro di sé gas idrogeno. Ripetendo questi due passaggi — rilascio di ossigeno ad alta temperatura e scissione del vapore a temperatura più bassa — lo stesso solido si comporta come una spugna riutilizzabile che alternativamente espira ossigeno e poi contribuisce a produrre idrogeno.

Un nuovo solido affamato di ossigeno

Il team si concentra su un composto chiamato Pr₃ZrO_8−δ, abbreviato in PZO. A temperatura ambiente, PZO forma una struttura cubica semplice simile a quella dell’affermato ossido di cerio. Tuttavia, a differenza del suo parente, PZO contiene naturalmente un gran numero di atomi di ossigeno mancanti, o vacanze, già prima di essere riscaldato. Tramite diffrazione di neutroni e di raggi X, i ricercatori mostrano che questa struttura fortemente deificiente in ossigeno rimane integra dalla temperatura ambiente fino a 900 °C sia in aria sia in gas inerte, e mappano dove il materiale rimane stabile rispetto a dove si disgregherebbe in fasi meno utili.

Immagazzinare e rilasciare ossigeno a temperature più miti

Misure accurate di variazione di massa e di comportamento elettrico rivelano quanta ossigeno PZO può cedere e riassorbire in modo reversibile sotto diverse temperature e atmosfere gassose. Rispetto all’ossido di cerio, PZO può rimuovere e reinserire molta più ossigeno a una data temperatura, soprattutto nella gamma 600–900 °C. Nei test ciclici, il materiale viene riscaldato a 900 °C in argon per rilasciare ossigeno, quindi raffreddato a 400 °C ed esposto al vapore. Su dieci cicli, PZO fornisce in media circa 332 micromoli di ossigeno e 70 micromoli di idrogeno per grammo di materiale — superando i principali ossidi a base di cerio e i perovskiti, nonostante operi a centinaia di gradi più freddi rispetto a molti sistemi attuali.

Osservare la superficie in funzionamento

Per capire perché la produzione di idrogeno rimane inferiore al massimo consentito dal numero di vacanze di ossigeno, gli autori utilizzano simulazioni meccaniche quantistiche per esaminare come una molecola d’acqua si dissoci sul piano più stabile di PZO. Segnano una sequenza di eventi: un atomo di ossigeno lascia il cristallo creando una vacanza; l’acqua si lega a quel sito; la molecola si divide in due frammenti idrossilici; infine gli atomi di idrogeno si accoppiano e partono come gas idrogeno mentre l’ossigeno riempie la vacanza. I calcoli mostrano che il passo più lento e più dispendioso in energia è la rottura di un particolare legame O–H in superficie. Questo collo di bottiglia spiega perché la parte di scissione dell’acqua del ciclo è più lenta rispetto al rilascio di ossigeno.

Cosa significa per l’idrogeno del futuro

In termini semplici, lo studio introduce un nuovo solido robusto che può immagazzinare e scambiare ossigeno in modo molto efficiente a temperature “intermedie” elevate. Ciò lo rende un candidato promettente per reattori alimentati da luce solare concentrata o dal calore di scarto di stabilimenti, piuttosto che dalla combustione di combustibili fossili. Sebbene il materiale superi già gli standard attuali nella gestione dell’ossigeno e nella produzione di idrogeno a temperature moderate, il suo pieno potenziale si raggiungerà solo quando il lento passo superficiale nella scissione dell’acqua sarà accelerato — verosimilmente aggiungendo opportuni catalizzatori o modificando la sua composizione. Se questi miglioramenti avranno successo, i sistemi a base di PZO potrebbero rendere la produzione su larga scala di idrogeno e ossigeno a basse emissioni di carbonio molto più praticabile.

Citazione: Lu, J., Zhang, Y., Chen, L. et al. A new highly oxygen-deficient and cubic Pr₃ZrO_8-δ for intermediate-temperature thermochemical production of oxygen and hydrogen. Nat Commun 17, 3091 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69235-0

Parole chiave: idrogeno termochimico solare, materiali per immagazzinamento dell'ossigeno, ossidi redox-attivi, energia a temperatura intermedia, cicli di scissione dell'acqua