Panoramica dei nanotruss di Fe che ricoprono la superficie e il bordo di un substrato di Si. Credito:Robert Boyd e Thor Balkhed
I ricercatori svedesi hanno scoperto un modo nuovo ed efficiente di utilizzare l'elettrocatalisi per produrre gas idrogeno dall'acqua. Invece di utilizzare elettrodi di platino costosi e difficili da ottenere, il nuovo metodo utilizza elettrodi con strutture nanotruss di ossido di ferro. La ricerca è guidata dal professor Ulf Helmersson.
Il gruppo di ricerca Plasma and Coatings Physics della Linköping University produce film sottili di nanomateriali. Per fare questo, i ricercatori usano una tecnica nota come "sputtering al plasma pulsato". Il processo di base, farfugliare, è un metodo di rivestimento comunemente utilizzato nell'industria e nella ricerca. Gli atomi vengono spruzzati su un substrato in una camera per formare uno strato sottile di spessore costante, con l'ausilio di gas ionizzato. I ricercatori LiU hanno ulteriormente sviluppato la tecnica e utilizzano impulsi brevi ma altamente efficienti di un plasma per far crescere le nanoparticelle degli atomi spruzzati. Le nanoparticelle crescono mentre galleggiano nel gas.
Però, in uno degli esperimenti condotti da Sebastian Ekeroth, dottorando in fisica del plasma e dei rivestimenti, il materiale si è formato in un luogo completamente sbagliato.
"Sembrava che dei detriti giacessero nella camera. Ne ho esaminati alcuni al microscopio e ho visto un fascio di nanocavi aggrovigliato, " lui ricorda.
Il professor Ulf Helmersson ha compreso l'importanza dei risultati, ed è stato fondato un nuovo campo di ricerca basato sulle nanostrutture ferromagnetiche.
I ricercatori di tutto il mondo stanno diventando sempre più interessati alle nanoparticelle ferromagnetiche e a come possono essere prodotte, in particolare in vari tipi di soluzione. Questi materiali magnetici stanno diventando sempre più interessanti per l'accumulo di energia (con un interesse speciale per l'accumulo di energia da fonti rinnovabili), catalisi, e la sintesi di sostanze chimiche.
Ingrandisci la punta di un nanotruss in cui i singoli nanofili sono chiaramente visibili. Credito:Linköping Universitet
Il gruppo di LiU, in collaborazione con ricercatori dell'Università di Umeå, ha sviluppato un metodo per controllare la produzione di nanostrutture ferromagnetiche con l'ausilio dello sputtering al plasma pulsato. Il risultato è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista nanolettere .
In questo caso, Sebastian Ekeroth ha utilizzato argon ionizzato introdotto in una camera con un catodo di ferro e un anodo di acciaio inossidabile. Gli atomi di ferro vengono polverizzati dal catodo e formano nanoparticelle con un diametro di circa 20 nm. Un campo magnetico applicato provoca le particelle di ferro, che sono intrinsecamente magnetici, ad unirsi e formare una struttura a traliccio stabile e ben definita, sia su carta che su superfici metalliche.
La struttura completa, con tutti i suoi angoli e nodi, è inoltre ricoperta da uno strato di ossido di ferro di spessore 2 nm, quando la struttura è esposta all'aria.
"Il modo in cui le particelle di ferro si agganciano l'una all'altra conferisce una struttura molto stabile. L'ambiente in un elettrolita può essere molto agitato e ruvido. Se la conduttività deve essere preservata fino alla fine del processo, è importante che la struttura non si rompa, "dice Sebastian Ekeroth.
Il metodo può essere utilizzato anche per grandi aree.
"Il metodo è adatto per applicazioni in cui è necessario un materiale tridimensionale su grandi aree, "dice Ulf Helmersson.
Credito:Linköping Universitet
I ricercatori descrivono nell'articolo su Nanoletters come hanno utilizzato con successo un catodo con nanostrutture di ossido di ferro sulla superficie di uno strato conduttore di carta carbone per scomporre l'acqua in idrogeno e ossigeno.
Questo elettrodo presenta molti vantaggi rispetto ai costosi elettrodi realizzati con platino difficile da ottenere. Il nuovo elettrodo è leggero, può essere piegato, ha una capacità elevata, ed è composto esclusivamente da sostanze rispettose dell'ambiente e di facile reperibilità, vale a dire il ferro, ossigeno e carbonio.
Il gas idrogeno ha un alto contenuto energetico. Quando l'energia chimica nell'idrogeno viene convertita in energia elettrica in una cella a combustibile, l'unico prodotto di scarto formato è l'acqua. L'interesse per le celle a combustibile è in costante aumento, principalmente per ragioni ambientali. Però, Il 96% dell'idrogeno attualmente prodotto proviene da fonti non rinnovabili. La caccia è aperta a metodi più rispettosi dell'ambiente per produrre idrogeno. Quest'ultimo è anche un potenziale vettore di energia, e quindi un possibile mezzo per immagazzinare energia ottenuta da, Per esempio, fonti solari o eoliche.
"La produzione di idrogeno è un'applicazione importante, ma stiamo anche cercando
in altre zone, come elettrodi nelle batterie, nei supercondensatori, e per l'uso in fotocatalisi, "dice Ulf Helmersson.
