Decifrata la modalità d'azione di importanti catalizzatori
La scissione dell'acqua in idrogeno e ossigeno è una reazione chimica importante, anche per quanto riguarda il crescente utilizzo dell'idrogeno come vettore energetico nella mobilità sostenibile. Un team internazionale di ricercatori ha ora decodificato la modalità d'azione di un catalizzatore.
L'idrogeno, soprattutto quello prodotto in modo "verde" dalla scissione dell'acqua con elettricità rinnovabile, è considerato un elemento chiave della futura mobilità sostenibile. Da un lato, l'idrogeno può reagire chimicamente nelle celle a combustibile ed essere utilizzato per generare energia elettrica. Questa può essere utilizzata per alimentare i motori elettrici. Dall'altro, viene utilizzato per la produzione di carburanti liquidi sintetici.
La scissione dell'acqua con l'elettricità (elettrolisi) avviene attraverso due reazioni, una delle quali non può avvenire senza l'altra: La formazione di idrogeno e quella di ossigeno, ciascuna in corrispondenza di un polo elettrico (elettrodo). I chimici chiamano le due reazioni parziali evoluzione dell'idrogeno ed evoluzione dell'ossigeno. Per rendere il processo complessivo più efficiente dal punto di vista energetico, gli scienziati stanno studiando l'uso di nuovi materiali che hanno un effetto catalitico e quindi favoriscono le reazioni parziali. Questi materiali saranno utilizzati nella zona degli elettrodi.
Chimica di superficie decisiva
"Quando si tratta di sviluppare catalizzatori per le due reazioni parziali, la reazione di evoluzione dell'ossigeno è di gran lunga la sfida maggiore", afferma Javier Pérez-Ramírez, professore di ingegneria della catalisi all'ETH di Zurigo. In un nuovo studio, un gruppo di ricerca internazionale guidato dall'Istituto Fritz Haber della Società Max Planck di Berlino e con la collaborazione dell'ETH di Zurigo ha ora acquisito nuove conoscenze fondamentali sui materiali catalizzatori per questa reazione di evoluzione dell'ossigeno: Gli scienziati sono riusciti a dimostrare che i processi sulla superficie del catalizzatore sono i principali responsabili delle buone prestazioni catalitiche, piuttosto che i processi elettrochimici.
"Anche se la reazione studiata è una forma speciale di catalisi, ovvero l'elettrocatalisi, segue le ben note leggi delle reazioni catalitiche tradizionali", afferma Guido Zichittella, scienziato del gruppo di Pérez-Ramírez. Questa scoperta è nuova, poiché in precedenza gli scienziati ritenevano che i processi elettrochimici fossero il fattore principale che determinava l'efficienza delle reazioni elettrocatalitiche.
Catalizzatori con attività specifica
Nel loro studio, gli scienziati hanno utilizzato come catalizzatore il materiale più comunemente usato nei laboratori di ricerca per questa reazione: l'ossido di iridio. Il professor Pérez-Ramírez dell'ETH e il suo gruppo hanno prodotto catalizzatori con diversi livelli di attività. Hanno sostituito diverse quantità di atomi di ossigeno cataliticamente attivi nel catalizzatore con atomi di cloro cataliticamente inattivi. Questi catalizzatori hanno permesso di studiare gli effetti della chimica di superficie separatamente dagli effetti dell'elettrochimica.
Le nuove scoperte potrebbero contribuire allo sviluppo di elettrocatalizzatori più efficienti e alla ricerca di nuovi materiali catalitici più economici per produrre idrogeno in modo sostenibile, efficiente dal punto di vista energetico ed economico.
A questo lavoro di ricerca hanno partecipato scienziati dell'Istituto Fritz Haber della Società Max Planck, dell'Università Tecnica di Berlino, dell'Istituto Max Planck per la conversione chimica dell'energia, dell'ETH di Zurigo e dell'Istituto officina dei materiali di Trieste.
Letteratura di riferimento
Nong HN et al: Ruolo chiave della chimica rispetto al bias nell'evoluzione elettrocatalitica dell'ossigeno. Nature, 18 ottobre 2020, doi: pagina esterna10.1038/s41586-020-2908-2