Gli elettrocatalizzatori sono sostanze che accelerano le reazioni chimiche nelle celle elettrochimiche. Sono componenti cruciali in molte tecnologie di conversione e stoccaggio dell'energia, come celle a combustibile, batterie ed elettrolizzatori, in quanto migliorano l'efficienza e la stabilità di questi sistemi.
Rendere l'elettrolisi competitiva.
Nella lotta al cambiamento climatico, la riduzione delle emissioni di CO2 è cruciale. Attualmente l'idrogeno grigio, prodotto da petrolio e gas naturale, è ampiamente utilizzato, ma sono in corso sforzi per sostituirlo con idrogeno verde, generato da fonti rinnovabili. L'idrogeno verde viene prodotto attraverso l'elettrolisi, un processo in cui l'elettricità divide l'acqua in idrogeno e ossigeno. Nonostante il suo potenziale, diverse sfide devono essere superate per rendere l'elettrolisi un'opzione praticabile.
Al momento, il processo di scissione dell'acqua è efficiente solo in misura limitata e non ci sono abbastanza catalizzatori potenti, durevoli ed economici per questo.
"Attualmente, gli elettrocatalizzatori più attivi sono basati sui rari e costosi metalli preziosi iridio, rutenio e platino", elenca Kristina Tschulik. “Come ricercatori, il nostro compito è quindi quello di sviluppare nuovi elettrocatalizzatori altamente attivi privi di metalli preziosi”.
Il suo gruppo di ricerca studia i catalizzatori sotto forma di nanoparticelle di ossido di metallo di base che sono un milione di volte più piccole di un capello umano. Prodotti su scala industriale, variano per forma, dimensione e composizione chimica.
Kristina Tschulik (a sinistra) e Hatem Amin stanno studiando le nanoparticelle come catalizzatori per l'idrogeno verde. Credito: © RUB, Marquard
"Utilizziamo le misurazioni per esaminare i cosiddetti inchiostri catalizzatori, in cui miliardi di particelle sono mescolate con leganti e additivi", sottolinea Kristina Tschulik. Questo metodo consente ai ricercatori di misurare solo una prestazione media, ma non l'attività delle singole particelle, che è ciò che conta davvero.
"Se sapessimo quale forma di particella o sfaccettatura del cristallo - le superfici che puntano verso l'esterno - è più attiva, potremmo produrre specificamente particelle con quella forma esatta", afferma il dott. Hatem Amin, ricercatore post-dottorato in chimica analitica presso Ruhr University Bochum.
Vincitore della gara delle nanoparticelle
Il gruppo di ricerca ha sviluppato un metodo per analizzare le singole particelle direttamente in soluzione. Ciò consente loro di confrontare tra loro l'attività di diversi nanomateriali al fine di comprendere l'influenza delle proprietà delle particelle, come la loro forma e composizione, sulla scissione dell'acqua. «I nostri risultati indicano che le particelle di ossido di cobalto sotto forma di singoli cubi sono più attive delle sfere, poiché queste ultime hanno sempre molte altre sfaccettature meno attive».
La teoria conferma l'esperimento
I risultati sperimentali del gruppo di Bochum sono stati confermati dai suoi partner di cooperazione guidati dal professor Rossitza Pentcheva dell'Università di Duisburg-Essen nell'ambito del Centro di ricerca collaborativo/Transregio 247. Le analisi teoriche di quest'ultimo indicano un cambiamento nelle regioni del catalizzatore attivo, in particolare dal cobalto atomi che sono circondati da atomi di ossigeno che formano un ottaedro ad atomi di cobalto che sono circondati da un tetraedro.
“Le nostre intuizioni sulla correlazione tra forma delle particelle e attività gettano le basi per la progettazione basata sulla conoscenza di materiali catalizzatori fattibili e, di conseguenza, per la trasformazione della nostra energia fossile e delle industrie chimiche verso un sistema circolare economia basato su fonti energetiche rinnovabili e catalizzatori altamente attivi e di lunga durata”, conclude Kristina Tschulik.
Riferimento: "Facet-Dependent Intrinsic Activity of Single Co3O4 Nanoparticles for Oxygen Evolution Reaction (Adv. Funct. Mater. 1/2023)" di Zhibin Liu, Hatem MA Amin, Yuman Peng, Manuel Corva, Rossitza Pentcheva e Kristina Tschulik, 3 gennaio 2023, Materiali funzionali avanzati.
DOI: 10.1002/adfm.202370006
