Obiettivo 2 : Stoccaggio,
trasporto e trasformazione in derivati ed e-fuels
REFERENTE/I
Andrea Rossin – CNR
andrea.rossin@cnr.it
Attività
L’attività di ricerca è finalizzata allo sviluppo di materiali innovativi per lo stoccaggio fisico e chimico dell’idrogeno mediante un approccio integrato che combina sintesi, caratterizzazione avanzata e modellazione computazionale. Sono stati studiati materiali porosi a complessità crescente, tra cui Metal-Organic Frameworks (MOF), Porous Coordination Cages (PCC), materiali carboniosi a base di grafene, sistemi ibridi MOF/grafene, carboni attivi, leghe di idruri metallici MgFe e idrati di idrogeno/ghiaccio XVII. I materiali sono progettati per massimizzare capacità di adsorbimento, reversibilità e cinetica di rilascio dell’idrogeno, attraverso la modulazione della porosità, l’impiego di metalli leggeri e catalizzatori (Pd, Pt, Ni, Fe) e l’inserzione di idruri chimici quali ammoniaca-borano. La caratterizzazione è stata effettuata mediante un approccio multitecnica comprendente diffrazione e scattering di raggi X e neutroni, spettroscopie Raman e XPS, microscopia elettronica e misure di adsorbimento anche a basse temperature. Le attività sperimentali sono state supportate da modellazione multiscala e metodologie di machine learning e intelligenza artificiale, finalizzate a correlare struttura e proprietà dei materiali e a guidare la progettazione razionale di nuovi sistemi ad alte prestazioni per lo stoccaggio dell’idrogeno
Figura 1
Rappresentazione schematica di un Metal-Organic Framework (MOF) di Berillio utilizzato per stoccaggio fisico e chimico di H2
Risultati
- In questa linea sono state sviluppate attività di ricerca dedicate alla progettazione e caratterizzazione di materiali innovativi per lo stoccaggio fisico e chimico dell’idrogeno. È stato completato lo studio di MOF leggeri a base di berillio, caratterizzati da elevata area superficiale e impiegati sia per l’adsorbimento di H₂ ad alta pressione sia come matrici per l’inserzione di ammoniaca-borano. Sono stati sintetizzati con successo e caratterizzati nuovi sistemi ibridi MOF/GRM in cui la parte grafenica è stata funzionalizzata con nanoparticelle di platino (Figura 2). Parallelamente sono state sviluppate leghe MgH2-Fe e carboni attivati catalizzati con Pt, evidenziando un miglioramento delle prestazioni di adsorbimento dell’idrogeno. Un’ulteriore attività ha riguardato la sintesi e la caratterizzazione di clatrati idrati e della fase C0 contenenti idrogeno, studiati mediante spettroscopia Raman e diffrazione a raggi X per comprenderne le proprietà di accumulo. Infine, è stato sviluppato HASTE, un workflow computazionale basato su machine learning e calcolo ad alte prestazioni (HPC) per predire i siti di adsorbimento dell’idrogeno su ossido di grafene, integrando simulazioni atomistiche e, in prospettiva, dati sperimentali per accelerare la progettazione di nuovi materiali per applicazioni energetiche sostenibili.
Figura 2
Sintesi di sistemi ibridi HKUST/GLox@Pt per stoccaggio fisico di H2
Team di ricerca
Manuela MELUCCI – CNR ISOF
Michela ALFE’ – CNR STEMS
Andrea ROSSIN – CNR ICCOM
Marzio RANCAN – CNR CMATE
Rolando PEDICINI – CNR ITAE
Daniele COLOGNESI – CNR IFAC
Cinzia GIANNINI – CNR IC
Francesco MERCURI – CNR ISMN
EXPERTISE
Questa LA raccoglie le attività parallele di più gruppi di lavoro afferenti a 2 diversi dipartimenti (DSCTM e DIITET) ed 8 istituti del – Grafeni modificati con piccole molecole organiche; Andrea ROSSIN (ICCOM) e Marzio RANCAN (ICMATE), linea B – Metal-Organic Frameworks (MOFs) e Porous Coordination Cages (PCCs) a porosità controllata e modulabile; Rolando PEDICINI (ITAE), linea C – carboni attivi e linea E – leghe metalliche binarie ed idruri interstiziali; Daniele COLOGNESI (IFAC), linea D – idrati di idrogeno e ghiaccio XVII; Cinzia GIANNINI (IC), caratterizzazione mediante tecniche di diffrazione di raggi X (anche da sorgenti sincrotrone); Francesco MERCURI (ISMN), modelling computazionale di interazioni H2-materiale e sviluppo di tecniche di machine learning con metodologie multi-scala.
Dipartimenti ed Istituti CNR coinvolti in LA 2.3.6
In collaborazione con:
Documenti
1. V. Gargiulo, A. Policicchio, L. Lisi, M. Alfe. CO2 Capture and Gas Storage Capacities Enhancement of HKUST‑1 by Hybridization with Functionalized Graphene-like Materials. Energy and Fuels 37, 5291–5302 (2023). DOI: 10.1021/acs.energyfuels.2c04289.
2. L. Del Rosso , D. Colognesi , A. Donati , S. Rudic , M. Celli. Microscopic dynamics of gas molecules confined in porous channel-like ice structure. J. Chem. Phys. 160, 154707 (2024). DOI: 10.1063/5.0201961.
3. G. Provinciali, N. A. Consoli, R. Caliandro, V. Mangini, L. Barba, C. Giannini, G. Tuci, G. Giambastiani, M. Lelli, A. Rossin. Ammonia Borane and Hydrazine Bis(borane) Confined within Zirconium Bithiazole and Bipyridyl Metal–Organic Frameworks as Chemical Hydrogen Storage Materials. J. Phys. Chem. C 129, 6094-6108 (2025). DOI: 10.1021/acs.jpcc.5c00187.
4. G. Provinciali, N. A. Consoli, M. Degli Innocenti, A. Moliterni, H. Tresmann, R. Caliandro, C. Giannini, R. Pedicini, G. Giambastiani, G. Tuci, M. Lelli, A. Rossin. A Lightweight Beryllium Metal–Organic Framework for Combined Physical and Chemical Hydrogen Storage. ACS Appl. Energy Mater. 8, 16891-16903 (2025). DOI: 10.1021/acsaem.5c02864.
