(Phys.org) — La ricerca per sfruttare l'idrogeno come combustibile pulito del futuro richiede catalizzatori perfetti:macchine su scala nanometrica che migliorano le reazioni chimiche. Gli scienziati devono modificare le strutture atomiche per raggiungere un equilibrio ottimale di reattività, durata, e sintesi su scala industriale. In una frontiera della catalisi emergente, gli scienziati cercano anche nanoparticelle tolleranti al monossido di carbonio, un'impurità velenosa nell'idrogeno derivato dal gas naturale. Questo combustibile impuro, il 40% meno costoso dell'idrogeno puro prodotto dall'acqua, rimane in gran parte non sfruttato.

Ora, scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), in una ricerca pubblicata online il 18 settembre, 2013 sulla rivista Comunicazioni sulla natura —hanno creato un nanocatalizzatore ad alte prestazioni che soddisfa tutte queste esigenze. La nuova struttura core-shell - rutenio rivestito di platino - resiste ai danni del monossido di carbonio mentre guida le reazioni energetiche fondamentali per le celle a combustibile dei veicoli elettrici e tecnologie simili.

"Queste nanoparticelle mostrano un perfetto ordinamento atomico sia nel rutenio che nel platino, superare i difetti strutturali che in precedenza hanno paralizzato i catalizzatori tolleranti al monossido di carbonio, " ha affermato Jia Wang, coautore dello studio e chimico del Brookhaven Lab. "Il nostro altamente scalabile, metodo di sintesi 'verde', come rivelato da tecniche di imaging su scala atomica, apre nuove ed entusiasmanti possibilità di catalisi e sostenibilità."

Fabbricazione di cristalli con perfezione atomica

I catalizzatori all'interno delle celle a combustibile liberano l'energia intrinseca delle molecole di idrogeno e la convertono in elettricità. Il platino si comporta eccezionalmente bene con il carburante a idrogeno puro, ma l'alto costo e la rarità del metallo ne ostacolano l'ampia diffusione. Rivestendo metalli meno costosi con sottili strati di atomi di platino, però, gli scienziati possono mantenere la reattività riducendo i costi e creando strutture core-shell con parametri di prestazione superiori.

Le impurità del monossido di carbonio nell'idrogeno formate dal gas naturale rappresentano un'altra sfida per gli scienziati perché disattivano la maggior parte dei catalizzatori al platino. Il rutenio, meno costoso del platino, favorisce la tolleranza al monossido di carbonio, ma è più incline alla dissoluzione durante l'avvio/spegnimento delle celle a combustibile, causando un graduale decadimento delle prestazioni.

"Abbiamo deciso di proteggere i nuclei di rutenio dalla dissoluzione con gusci di platino completi di uno o due atomi di spessore, "Ha detto Wang. "Precedenti studi scientifici sulla superficie hanno rivelato notevoli variazioni delle proprietà della superficie in questa configurazione nucleo-guscio, suggerendo la necessità e l'opportunità di perfezionare la ricetta con un controllo preciso."

Esistevano dubbi sulla possibilità o meno di un nucleo di rutenio altamente ordinato con un guscio di platino:le nanoparticelle precedentemente sintetizzate mostravano una struttura cristallina indebolita nel rutenio.

"Per fortuna, abbiamo scoperto che la perdita della struttura del rutenio era dovuta alla diffusione intercalare mediata da difetti, che è evitabile, "Ha detto Wang. "Eliminando eventuali difetti reticolari nelle nanoparticelle di rutenio prima di aggiungere il platino, abbiamo conservato il cruciale, struttura atomica discreta di ciascun elemento."

Il metodo di sintesi scalabile ed economico utilizza l'etanolo, un solvente comune e poco costoso, come riducente per fabbricare il nucleo e il guscio delle nanoparticelle. Il sofisticato processo non richiede altri agenti organici o modelli metallici.

"Semplicemente la regolazione della temperatura, acqua, e l'acidità delle soluzioni ci ha dato il controllo completo sul processo e ha prodotto una dimensione delle nanoparticelle di rutenio notevolmente coerente e un rivestimento di platino uniforme, " ha detto il chimico del Brookhaven Lab Radoslav Adzic, un altro coautore dello studio. "Questa semplicità offre un'elevata riproducibilità e scalabilità, e dimostra il chiaro potenziale commerciale del nostro metodo."

Caratterizzazione Core-Shell

"Abbiamo portato i catalizzatori completati in altre strutture qui al laboratorio per rivelare i dettagli esatti della struttura atomica, "Ha detto Wang. "Questo tipo di collaborazione rapida è possibile solo quando si lavora accanto a esperti e strumenti di livello mondiale".

Gli scienziati della National Synchrotron Light Source (NSLS) del Brookhaven Lab hanno rivelato la densità atomica, distribuzione, e uniformità dei metalli nei nanocatalizzatori utilizzando una tecnica chiamata diffrazione dei raggi X, dove la luce ad alta frequenza si disperde e si piega dopo aver interagito con i singoli atomi. La collaborazione ha anche utilizzato un microscopio elettronico a trasmissione a scansione (STEM) presso il Centro per i nanomateriali funzionali (CFN) di Brookhaven per individuare i diversi modelli atomici sub-nanometrici. Con questo strumento, un fascio concentrato di elettroni ha bombardato le particelle, creando una mappa delle strutture sia del core che della shell.

"Abbiamo scoperto che gli elementi non si mescolavano al confine tra nucleo e guscio, che è un passo critico, " ha detto il fisico CFN Dong Su, coautore e specialista STEM. "L'ordinamento atomico in ogni elemento, accoppiato con i giusti modelli teorici, ci racconta come e perché il nuovo nanocatalizzatore fa la sua magia."

La determinazione della configurazione funzionale ideale per il nucleo e il guscio ha richiesto anche l'uso dell'esperienza del CFN nella scienza computazionale. Con i calcoli della teoria del funzionale della densità (DFT), il computer aiuta a identificare la struttura platino-rutenio più stabile dal punto di vista energetico.

"L'analisi DFT collega i punti tra prestazioni e configurazione, e conferma le nostre osservazioni dirette dalla diffrazione dei raggi X e dalla microscopia elettronica, " ha detto Adzic.

Dalla scoperta alla distribuzione

Sistemi di alimentazione Ballard, un'azienda dedicata alla produzione di celle a combustibile, valutato in modo indipendente le prestazioni dei nuovi nanocatalizzatori core-shell. Oltre a testare l'elevata attività dei catalizzatori a basso contenuto di platino in idrogeno puro, Ballard ha esaminato specificamente la resistenza al monossido di carbonio presente nel gas idrogeno impuro e la resistenza alla dissoluzione durante i cicli di avvio/arresto. Il nanocatalizzatore a doppio strato ha mostrato un'elevata durata e una maggiore tolleranza al monossido di carbonio:la combinazione consente l'uso di idrogeno impuro senza grandi perdite di efficienza o aumento del costo del catalizzatore.

Il nanocatalizzatore si è comportato bene anche nella produzione di gas idrogeno attraverso la reazione di evoluzione dell'idrogeno, portando a un'altra partnership industriale. Protone in loco, un'azienda specializzata nella scissione dell'idrogeno dall'acqua e altri processi simili, ha completato i test di fattibilità per l'implementazione della tecnologia nella produzione di elettrolizzatori per acqua, che ora richiederà circa il 98 percento in meno di platino.

"Gli elettrolizzatori per acqua sono già sul mercato, quindi questo nanocatalizzatore può dispiegarsi rapidamente, " Wang ha detto. "Quando i veicoli a celle a combustibile a idrogeno verranno lanciati nei prossimi anni, questa nuova struttura può accelerare lo sviluppo riducendo i costi sia per i catalizzatori metallici che per il carburante".