Un team di scienziati dimostra come convertire le sollecitazioni meccaniche in idrogeno con un'efficienza fino a 16 volte superiore rispetto ai materiali piezoelettrici tradizionali non modificati.
Sintesi piezoelettrica idrogeno: cos’è e come funziona
Le onde che si infrangono ogni giorno sulle coste potrebbero divenire in un futuro prossimo fonte energetica per la produzione di idrogeno verde e altri prodotti chimici. Un’ipotesi futuristica che poggia tuttavia su solidi esperimenti e studi di settore. E che vede Hong Kong come il centro nevralgico di questo nuovo indirizzo scientifico.
Un gruppo di ricercatori della School of Energy and Environment della City University of Hong Kong (CityUH) è riuscito a far progredire una delle modalità più innovative per la generazione del vettore: la sintesi piezoelettrica. Si tratta di un campo di studio relativamente giovane, che prevede di “convertire” le vibrazioni meccaniche in cariche elettriche, da impiegare direttamente per rompere le molecole d’acqua.
Nel 2026 il team ha pubblicato due ricerche parallele sulla tecnologia che utilizzano la stessa strategia progettuale e lo stesso obiettivo di fondo. È da qui che vale la pena partire per capire se il “piezo” idrogeno possiede davvero delle potenzialità.
La crisi dell’idrogeno fossile
Non solo gas e petrolio. Il conflitto in Medio Oriente ha avuto un impatto anche sulle forniture globali di idrogeno, mettendo in luce tutte le vulnerabilità delle attuali catene di approvvigionamento. La regione ospita infatti circa un sesto della produzione mondiale di H2 (rigorosamente di origine fossile), la maggior parte della quale è destinata alla produzione di prodotti chimici, fertilizzanti e derivati. Ma tra bombardamenti e chiusura dello Stretto di Hormuz diverse raffinerie e impianti petrolchimici hanno interrotto i lavori, lasciando un buco enorme nell’offerta.
Per l’Agenzia internazionale dell’Energia la ripresa delle attività e il raggiungimento dei livelli pre-conflitto richiederanno settimane, se non mesi, nel caso di impianti danneggiati. Ecco perché, oggi, sviluppare la versione verde del vettore, a partire da acqua ed energia pulita, non rappresenta solo un modo per far progredire la transizione energetica ma anche lo strumento con cui rafforzare la sicurezza economica. Il problema? L’attuale livello di produzione di idrogeno verde o anche più semplicemente a basse emissioni, non è sufficiente a fornire una risposta immediata all’attuale domanda.
Nel 2025 la domanda globale di H2 ha superato i 100 milioni di tonnellate, l’elettrolisi – la tecnologia più avanzata per la generazione del vettore nella sua formula green – ne ha fornite appena 0,18 milioni. Diversi grandi elettrolizzatori entreranno in funzione entro il 2030 a livello globale, ma ci vorrà del tempo per raggiungere la scala necessaria a dare un contributo significativo.
In questo contesto la piezocatalisi dell’idrogeno è sicuramente in una fase troppo precoce per dare una mano al settore in tempi brevi. Tuttavia possiede un vantaggio intrinseco: quello di poter essere applicata praticamente ovunque, sfruttando un effetto – l’effetto piezoelettrico – noto dal lontano 1880. Il che la rende una soluzione allettante in qualsiasi previsione futura.
La sintesi piezoelettrica dell’idrogeno
Il meccanismo alla base è semplice. Quando un materiale piezoelettrico, come ad esempio l’ossido di zinco o il titanato di bario, viene piegato, compresso o fatto vibrare la disposizione asimmetrica dei suoi ioni genera un campo di polarizzazione interno: cariche positive si accumulano da un lato, cariche negative dall’altro.
Se il materiale si trova immerso in acqua, quelle cariche superficiali possono innescare direttamente le reazioni di ossidoriduzione necessarie a scomporre la molecola d’acqua. In altre parole gli elettroni riducono i protoni a idrogeno molecolare, le lacune ossidano l’acqua liberando ossigeno.
Il vantaggio? Il sistema è in grado di sfruttare energia meccanica (vibrazioni, onde sonore, flussi d’acqua, passi) che altrimenti andrebbe persa, in maniera rispettosa dell’ambiente e a basso costo. Ciò significa anche riuscire a portare la produzione di idrogeno praticamente ovunque, persino in alto mare o a bordo di un’autostrada trafficata.
Allo stesso tempo la tecnologia soffre di un problema non da poco: la ricombinazione delle cariche. Le cariche positive e negative generate dalla deformazione tendono a riunirsi e annullarsi a vicenda prima ancora di raggiungere la superficie del materiale, dove potrebbero reagire con le molecole d’acqua. E più veloce è la ricombinazione, minore è la resa catalitica. Per la precisione il “piezo” idrogeno mostra un’efficienza di conversione (vibrazioni-H2) sotto l’1%.
“Piezo” idrogeno, quanto è efficiente la sintesi?
Gli scienziati della CityUHK hanno cercato di aumentare la resa modificando leggermente la ricetta. Il lavoro si è focalizzato sulla ferrite di bismuto (BiFeO3, BFO), un ferroelettrico apprezzato per l’ampiezza della sua polarizzazione ma storicamente penalizzato da una scarsa efficienza catalitica.
La squadra, guidata dal professor Sai Kishore Ravi, ha affrontato il problema con una strategia a doppio intervento, applicata a due livelli distinti del materiale.
All’interno ha impiegato un drogaggio al cobalto per introdurre una distorsione nel reticolo cristallino che potenzia la polarizzazione piezoelettrica complessiva e promuove un trasporto di carica più direzionale, che diminuisce il rischio di ricombinazione.
Sulla superficie, ha deposto del platino per migliorare l’efficienza catalitica e di conseguenza accelerare l’evoluzione dell’idrogeno.
Il risultato parla da sé: sotto vibrazione la ferrite di bismuto pura produce 120,1 micromoli di idrogeno per grammo di catalizzatore ogni ora; il drogaggio con cobalto (BCFO) porta questo valore a 760,9; l’aggiunta dei siti di platino (Pt/BCFO) lo spinge fino a 1896,4. Un incremento complessivo di circa sedici volte rispetto al materiale di partenza.
Il team ha anche incorporato il catalizzatore in una matrice polimerica ottenendo un film flessibile che unisce due funzioni: da un lato la raccolta dell’energia meccanica e dall’altro la facilità di recupero e riutilizzo del catalizzatore. “I nostri studi attuali utilizzano vibrazioni ultrasoniche controllate per approfondire la nostra comprensione della scienza sottostante”, ha commentato il professor Ravi. “La prossima sfida è quella di andare oltre il reattore di laboratorio ed esplorare sistemi in grado di funzionare utilizzando le vibrazioni presenti nell’ambiente.”
Un risultato ottimo che tuttavia ha davanti a sé ancora una lunga strada dal momento che l’efficienza è ancora sotto l’1%. Per comprendere a pieno la prospettiva dei progressi raggiunti dall’Università di HK è utile collocare la piezosintesi all’interno del gruppo di tecnologie sviluppate per produrre idrogeno dall’acqua.
Le altre tecnologie per le produzione di H2 verde
Elettrolisi: è il metodo più noto e di gran lunga il più maturo. Gli elettrolizzatori usano l’elettricità per rompere i legami altamente energetici e stabili delle molecole d’acqua per rilasciare separatamente idrogeno e ossigeno gassosi. Il suo punto di forza è l’affidabilità e l’elevata efficienza: nei sistemi con membrana a scambio protonico (PEM) può raggiungere l’80% e con le celle a ossidi solidi (SOEC) può superarlo; il suo limite strutturale è la dipendenza da un input elettrico dedicato e continuo, con tutto ciò che comporta in termini di infrastruttura, costi e necessità di stoccaggio dell’energia rinnovabile a monte.
Fotocatalisi. La tecnologia impiega semiconduttori particellari immersi in acqua per assorbire i fotoni e generare coppie elettrone-lacuna che pilotano lo splitting dell’acqua. Senza bisogno di elettrodi né corrente esterna. Il vantaggio consiste nell’uso diretto della luce solare, oltre alla semplicità costruttiva, ai minori costi e alla facilità di scale-up. D’altro canto la fotocatalisi non brilla per resa. La maggior parte dei materiali utilizzati mostra un assorbimento non ottimale della luce e una ricombinazione rapida delle cariche; elementi che tengono le efficienze di conversione solare-idrogeno ben sotto il 10%.
Fotoelettrocatalisi o PEC. Rappresenta una sorta di ibrido tra i due approcci precedenti: usa la luce come nella fotocatalisi, ma separa fisicamente un fotoanodo e un catodo, applicando anche un piccolo bias elettrico esterno per assistere la separazione di carica. Il risultato è generalmente una maggiore stabilità ed efficienza rispetto alla fotocatalisi pura, proprio perché la separazione fisica degli elettrodi riduce la probabilità di ricombinazione. Il prezzo da pagare è la maggiore complessità del sistema e la persistente difficoltà di raggiungere stabilità ed efficienza su scala pratica. Nel 2025 uno studio ha modellato un nuovo fotocatalizzatore bidimensionale con cui è possibile portare la conversione luce-idrogeno al 14,36%.
Elettrolisi fotovoltaica. Evoluzione del metodo classico, prevede il collegamento diretto tra celle solari ed elettrolizzatore. Questa configurazione elimina la necessità di elettronica per la conversione di potenza, riducendo i costi del sistema e permettendo un funzionamento indipendente dalla rete. In teoria è anche quella che potrebbe permettere un’efficienza di conversione più alta escludendo l’elettrolisi classica, e battere quest’ultima sul profilo della sostenibilità. Tuttavia allo stato attuale la sfida principale è riuscire a progettare un sistema in cui i componenti solari ed elettrolitici siano perfettamente bilanciati per operare il più vicino possibile all’MPP in condizioni variabili, garantendo al contempo una lunga durata operativa. L’efficienza più alta mai raggiunta in questo caso è il 31,3% registrata con l’utilizzo di celle solari a quattro giunzioni e un concentratore ottico da 226× connessi a una cella elettrolitica PEM.
