I catalizzatori di nanoparticelle sviluppati dai ricercatori di A*STAR possono aiutare a dividere l'acqua per produrre idrogeno, un combustibile a combustione pulita che fornisce un modo conveniente per immagazzinare energia rinnovabile.

Il platino è attualmente il materiale per elettrodi catalitici più efficiente per generare idrogeno in questo modo, ma il metallo prezioso è sia raro che costoso. Yee-Fun Lim e i colleghi dell'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering hanno ora sviluppato nanoparticelle di elettrocatalizzatori altamente attive, economico e stabile, e che eseguono la reazione di evoluzione dell'idrogeno e qualsiasi alternativa al platino ancora scoperta.

Il team ha utilizzato schiuma di nichel porosa come base per il loro elettrodo, perché fornisce un'area superficiale molto ampia per supportare le nanoparticelle catalitiche attive. Poi hanno ricoperto la schiuma con un composto di cobalto-tiourea, e scaldato per scomporre la tiourea, che rilasciava zolfo. Questo zolfo ha reagito con i metalli per formare nanoparticelle di solfuro di cobalto e solfuro di nichel. I ricercatori hanno studiato la struttura e la composizione delle nanoparticelle utilizzando una varietà di tecniche, compresa la diffrazione di raggi X e la microscopia elettronica a scansione.

Durante la reazione, l'elettricità aiuta gli atomi di metallo sulla superficie di queste nanoparticelle a estrarre un atomo di idrogeno da una molecola d'acqua. L'atomo di idrogeno si combina quindi con un altro atomo di idrogeno, o sulla superficie della nanoparticella, o da un'altra molecola d'acqua, per produrre gas idrogeno (H2). In modo cruciale, le nanoparticelle di solfuro metallico funzionano bene nelle condizioni alcaline solitamente richieste per la reazione parallela che genera ossigeno durante la scissione dell'acqua.

Il team di Lim ha dimostrato che la variazione della temperatura e della durata della fase di riscaldamento utilizzata per preparare le nanoparticelle ha avuto un effetto drammatico sulla loro composizione e sulle relative proporzioni, e le prove hanno mostrato che questo determinava la loro attività nella reazione di evoluzione dell'idrogeno. Il riscaldamento prolungato ha causato l'aggregazione di alcune nanoparticelle, Per esempio, e ha anche aumentato la percentuale di solfuro di cobalto, che ha ridotto significativamente l'attività del catalizzatore.

Le migliori prestazioni sono arrivate dal solfuro di metallo misto che è stato riscaldato a 500 gradi Celsius per soli 10 minuti (vedi immagine). Richiedeva una tensione relativamente bassa di 163 millivolt per avviare la reazione di evoluzione dell'idrogeno, solo 47 millivolt in più rispetto a un elettrocatalizzatore al platino commerciale, e paragonabile alle migliori alternative. Il catalizzatore non ha mostrato alcuna degradazione in tre giorni di reazioni continue.

"Il catalizzatore misto combina le buone proprietà dei catalizzatori al nichel e al cobalto per ottenere prestazioni superiori, " dice Lim. Il suo team prevede di utilizzare un approccio simile per creare nanoparticelle catalitiche su misura per una reazione diversa che trasforma l'anidride carbonica in combustibili.