Di seguito gli interventi pubblicati in questa sezione, in ordine cronologico.

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Smartphone collegato a caricatore rapido con grafico batteria

Per anni ci hanno detto che la ricarica veloce distrugge le batterie, che bisogna restare tra il 20 e l'80 per cento e che il 100 per cento è il male assoluto. Un lungo test di sei mesi con dodici smartphone ha verificato queste paure, rivelando una verità molto diversa. LEGGI TUTTO L'ARTICOLO.


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La chimica sotto stress: SEI, lithium plating e microfratture
Quando si infila un cavo in uno smartphone e si attiva la ricarica rapida a 45, 65 o addirittura 120 watt, all'interno della batteria agli ioni di litio si scatena una piccola tempesta chimica. Il parametro che descrive l'intensità di questo processo è il C‑rate, cioè il rapporto tra la corrente di ricarica e la capacità della cella. Se un telefono con batteria da 5.000 milliampereora viene caricato a 5 ampere, il C‑rate è 1C, il che significa che in un'ora la batteria passerebbe da zero a piena se non ci fossero rallentamenti. Le ricariche ultrarapide spingono il C‑rate fino a 3C o 4C, obbligando gli ioni di litio a muoversi dall'elettrodo positivo a quello negativo a velocità forsennate. Questa migrazione accelerata provoca la formazione disordinata del Solid Electrolyte Interface, un sottilissimo strato che si crea sull'anodo e che funge da barriera protettiva. In condizioni di stress, la pellicola cresce in modo irregolare e consuma una piccola quantità di litio che non potrà più essere utilizzata per immagazzinare energia. Contemporaneamente, gli ioni che non riescono a inserirsi nella struttura di grafite dell'anodo si depositano in superficie sotto forma di litio metallico, un fenomeno chiamato lithium plating, che riduce ulteriormente la capacità disponibile e in casi estremi può creare dendriti in grado di perforare il separatore e causare cortocircuiti. A queste reazioni si somma lo stress meccanico: i materiali degli elettrodi si espandono durante la carica e si contraggono durante la scarica, e quando questo ciclo avviene troppo rapidamente si formano microfratture che degradano le prestazioni. Questi fenomeni sono reali, documentati da decenni di letteratura scientifica, e rappresentano il motivo per cui i produttori di batterie raccomandano prudenza. Tuttavia, la distanza tra ciò che accade in laboratorio e ciò che accade nel telefono che teniamo in tasca è colmata da una serie di tecnologie che negli ultimi anni hanno fatto passi da gigante. I moderni chip di gestione della ricarica, chiamati PMIC, monitorano decine di volte al secondo la temperatura, la tensione e la corrente, e riducono automaticamente la potenza quando la cella supera i 40 gradi centigradi o quando la tensione si avvicina al valore di piena carica. Le camere di vapore, i fogli di grafite e i materiali a cambiamento di fase dissipano il calore in modo così efficiente che la batteria non raggiunge quasi mai le temperature critiche che innescano un degrado accelerato. È proprio questa evoluzione a spiegare i risultati dei test a lungo termine, che hanno ribaltato molte convinzioni radicate.

I risultati del test: differenze minime e buonsenso
L'esperimento condotto per sei mesi su dodici smartphone ha messo a confronto quattro regimi di carica: solo lenta, solo rapida, cicli parziali tra il 30 e l'80 per cento e cicli completi da zero a cento. Dopo circa cinquecento cicli, equivalenti a un anno e mezzo di uso quotidiano, le batterie degli iPhone caricati lentamente avevano perso in media l'11,8 per cento della capacità originaria, mentre quelli sottoposti esclusivamente a ricarica rapida mostravano un degrado del 12,3 per cento. La differenza, pari a mezzo punto percentuale, è talmente ridotta da essere irrilevante nella vita reale: nella pratica significa che uno smartphone che all'inizio durava dieci ore, dopo un anno e mezzo ne dura circa dieci minuti in meno, una variazione che la maggior parte delle persone non percepisce nemmeno. Sui dispositivi Android, i risultati sono stati addirittura controintuitivi: i telefoni caricati lentamente hanno perso circa l'8,8 per cento, quelli caricati sempre rapidamente si sono fermati all'8,5 per cento, mostrando un degrado leggermente inferiore, sebbene la differenza dello 0,3 per cento rientri ampiamente nell'errore sperimentale. Questi numeri smontano la narrazione secondo cui la ricarica veloce sarebbe un killer silenzioso delle batterie. Il test sulla regola del 20‑80 per cento ha invece evidenziato una differenza più marcata, ma con un importante distinguo metodologico. Le batterie mantenute tra il 30 e l'80 per cento hanno conservato circa il 4 per cento di capacità in più sugli iPhone e il 2 per cento in più su Android rispetto a quelle usate a pieni cicli. Tuttavia, per erogare la stessa quantità di energia, le batterie limitate al 30‑80 per cento devono compiere quasi il doppio dei cicli di carica e scarica, il che rende il confronto non perfettamente equivalente. Se si correggesse il dato per il numero effettivo di cicli, il vantaggio della fascia centrale si ridurrebbe ulteriormente. L'ultimo mito a cadere è quello del danno da permanenza al 100 per cento: smartphone lasciati spenti per una settimana a piena carica non hanno mostrato alcun degrado misurabile, confermando che i processi di invecchiamento per stress di tensione sono così lenti da richiedere mesi o anni prima di diventare visibili. L'unica raccomandazione che conserva piena validità riguarda lo stoccaggio di lungo periodo: se si ripone un dispositivo in un cassetto per molti mesi, è preferibile lasciarlo con una carica intorno al 70‑80 per cento, perchè l'autoscarica naturale potrebbe portare una cella già quasi vuota a una scarica profonda dalla quale alcune batterie non sono più in grado di riprendersi. Al di là di questa precauzione, l'insegnamento principale è che la tecnologia ha reso la maggior parte delle ansie sulle batterie superate. Si può usare la ricarica rapida senza sensi di colpa, così come non ha senso angosciarsi nel vedere il 100 per cento sul display, a patto di non dimenticare che la qualità della singola cella e la fortuna giocano un ruolo non trascurabile: dietro le medie rassicuranti, esiste sempre una variabilità produttiva che può far invecchiare una batteria meglio o peggio di un'altra.

La scienza delle batterie è solida, ma i test empirici ci ricordano che tra la teoria e la pratica quotidiana c'è di mezzo l'ingegneria. Oggi possiamo goderci la ricarica rapida e smettere di vivere con l'ansia della percentuale, riservando le buone abitudini solo a quelle situazioni, come lo stoccaggio prolungato, in cui fanno davvero la differenza.

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Rappresentazione di un catalizzatore mononucleare su matrice di carbonio

La conversione elettrochimica dell'anidride carbonica (CO₂) in combustibili e sostanze chimiche ad alto valore aggiunto rappresenta una delle sfide più promettenti per la chimica sostenibile del Ventunesimo secolo. In questo contesto, i catalizzatori elettrochimici mononucleari, costituiti da singoli atomi metallici isolati su matrici di carbonio, stanno emergendo come una tecnologia innovativa per trasformare la CO₂ in etanolo ed etilene con elevata selettività ed efficienza. Questo approccio, basato su elettrodi ingegnerizzati a livello atomico, offre una via per chiudere il ciclo del carbonio e ridurre le emissioni di gas serra. LEGGI TUTTO L'ARTICOLO.


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Il problema della riduzione della CO₂
L'anidride carbonica è il principale gas serra responsabile del riscaldamento globale e dei cambiamenti climatici. Le attività umane, in particolare la combustione di combustibili fossili per la produzione di energia e per i trasporti, hanno portato a un aumento senza precedenti della sua concentrazione in atmosfera. Ridurre le emissioni di CO₂ è una priorità assoluta per la comunità internazionale, che si è posta l'obiettivo di raggiungere la neutralità climatica entro il 2050. Tuttavia, la riduzione delle emissioni non è sufficiente: è necessario anche sviluppare tecnologie in grado di catturare e convertire la CO₂ già presente in atmosfera, o proveniente da sorgenti industriali, in prodotti utili. La conversione elettrochimica della CO₂ si inserisce in questo quadro, offrendo la possibilità di utilizzare l'energia elettrica rinnovabile per trasformare un inquinante in una risorsa.

La riduzione elettrochimica della CO₂ è un processo complesso che coinvolge il trasferimento di elettroni e protoni, e può portare a una varietà di prodotti, tra cui monossido di carbonio (CO), acido formico (HCOOH), metano (CH₄), etilene (C₂H₄), etanolo (C₂H₅OH) e altri alcoli. La selettività verso un prodotto specifico è uno dei principali ostacoli alla commercializzazione di questa tecnologia. I catalizzatori tradizionali, come i metalli di transizione in forma massiva o nanoparticellare, spesso presentano una bassa selettività e producono miscele di diversi composti, rendendo difficile la separazione e il successivo utilizzo dei prodotti. Inoltre, molti di questi catalizzatori sono costosi, rari o tossici, limitando la loro applicabilità su larga scala.

La catalisi eterogenea, che utilizza catalizzatori solidi per accelerare le reazioni chimiche, è il cuore del problema. Per la riduzione della CO₂, i catalizzatori elettrochimici devono possedere specifiche proprietà: devono essere in grado di adsorbire la CO₂ sulla loro superficie, di attivare il legame C=O e di fornire i siti attivi per il trasferimento di elettroni e protoni. Le nanoparticelle metalliche, sebbene ampiamente utilizzate, presentano il limite di avere siti attivi eterogenei, che portano a una varietà di percorsi di reazione e quindi a una bassa selettività. Per superare questo limite, la ricerca si sta orientando verso catalizzatori con siti attivi ben definiti, come quelli costituiti da singoli atomi metallici, in cui ogni atomo è identico e agisce come unico centro catalitico.

I catalizzatori mononucleari (Single-Atom Catalysts, SACs) rappresentano un salto di qualità nella progettazione di catalizzatori. In questi sistemi, gli atomi metallici sono isolati e ancorati a un supporto, tipicamente un materiale carbonioso come grafene, nanotubi di carbonio o carbonio poroso. L'isolamento degli atomi metallici impedisce la formazione di aggregati e garantisce che ogni atomo sia un sito attivo ben definito, con una coordinazione e una reattività uniforme. Questa caratteristica si traduce in una selettività molto elevata verso specifici prodotti di reazione, poichè tutti i siti attivi catalizzano la stessa reazione, seguendo lo stesso percorso. Inoltre, la struttura elettronica unica dei singoli atomi metallici, diversa da quella dei metalli massivi o delle nanoparticelle, può favorire determinate reazioni e inibire altre.

La scelta del metallo e del supporto è cruciale per le prestazioni del catalizzatore. Per la conversione della CO₂ in etanolo ed etilene, i metalli di transizione come rame, argento, oro, nichel e cobalto sono stati ampiamente studiati, anche se il rame è considerato il catalizzatore più promettente per la produzione di prodotti a due atomi di carbonio (C2). La matrice di carbonio svolge un ruolo fondamentale, fornendo il supporto fisico per gli atomi metallici, ma anche influenzando la loro reattività attraverso interazioni elettroniche e di coordinazione. I difetti e i gruppi funzionali presenti sulla superficie del carbonio possono ancorare gli atomi metallici e modulare la loro densità elettronica, influenzando l'adsorbimento degli intermedi di reazione e la selettività.

La sintesi dei catalizzatori mononucleari richiede tecniche sofisticate per garantire l'isolamento degli atomi metallici e la loro distribuzione uniforme sulla superficie del supporto. Tra i metodi più utilizzati ci sono la pirolisi di precursori organometallici, la deposizione chimica da vapore (CVD), la fotodeposizione e la sintesi assistita da agenti tensioattivi. Il controllo delle condizioni di sintesi è fondamentale per ottenere catalizzatori con proprietà ottimali e riproducibili. La caratterizzazione dei SACs è altrettanto complessa e richiede tecniche avanzate, come la microscopia elettronica a trasmissione (TEM), la spettroscopia di assorbimento di raggi X (XAS) e la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS), per verificare la dispersione atomica del metallo e la sua struttura elettronica.

I catalizzatori mononucleari a base di rame su supporti di carbonio hanno mostrato risultati promettenti per la conversione della CO₂ in etanolo ed etilene, con selettività fino al 70% e densità di corrente elevate. La loro elevata attività e selettività sono attribuite alla geometria di coordinazione unica del rame singolo, che favorisce la formazione di intermedi a due atomi di carbonio e la loro successiva conversione in etanolo e etilene. Inoltre, questi catalizzatori hanno dimostrato una stabilità a lungo termine, con una perdita di attività limitata durante le operazioni. Queste prestazioni, sebbene ancora lontane dalla scala industriale, rappresentano un passo avanti significativo verso la realizzazione di processi di conversione della CO₂ efficienti ed economicamente sostenibili.

L'etanolo è un combustibile liquido ad alta densità energetica e può essere utilizzato come additivo per benzina o come combustibile puro in motori a combustione interna. L'etilene è un importante prodotto chimico di base, utilizzato per la produzione di polietilene, il polimero più diffuso al mondo. La possibilità di produrre questi composti da CO₂, utilizzando energia rinnovabile, offre una via per ridurre la dipendenza dai combustibili fossili e per creare un'economia circolare del carbonio. I catalizzatori mononucleari, in questo quadro, rappresentano una tecnologia chiave per rendere possibile questo scenario, aprendo la strada a una chimica più sostenibile e a un futuro a basse emissioni di carbonio. La ricerca in questo campo è in continua evoluzione, e si prevedono ulteriori miglioramenti in termini di attività, selettività e stabilità, che potrebbero portare alla commercializzazione di questa tecnologia nei prossimi anni.

I catalizzatori elettrochimici mononucleari, con i loro atomi metallici isolati su matrici di carbonio, rappresentano una frontiera avanzata della catalisi per la conversione della CO₂ in alcoli superiori. La loro elevata selettività ed efficienza verso etanolo ed etilene li candidano a diventare una tecnologia chiave per la chimica sostenibile e per l'economia circolare del carbonio. La ricerca in questo campo, sebbene ancora in fase di sviluppo, mostra un potenziale straordinario per affrontare le sfide del riscaldamento globale e della transizione energetica, offrendo una via per trasformare un inquinante in una risorsa preziosa.