Gli scienziati sono rimasti a lungo perplessi sul motivo per cui è più facile produrre idrogeno dall'acqua in un ambiente acido che in un ambiente alcalino. Marc Koper arriva con una spiegazione:il motivo è il campo elettrico sulla superficie del catalizzatore, che è più grande in un ambiente alcalino, come scrive in una pubblicazione in Energia della natura il 20 marzo.

Produrre idrogeno in modo più efficiente

Marc Koper è professore di catalisi e chimica delle superfici e fa ricerca sull'energia sostenibile, come l'uso dell'idrogeno come combustibile. "L'idrogeno è una fonte di energia pulita, che non possiamo ancora realizzare in modo pulito su larga scala. Perché ora sappiamo che il campo elettrico gioca un ruolo importante, siamo in grado di mettere a punto i sistemi attuali per renderli più efficienti, "dice Capodistria.

Per convertire elettrochimicamente l'acqua in idrogeno e ossigeno, sono necessari elettrodi:un catodo negativo e un anodo positivo. "Il catodo è dove viene prodotto l'idrogeno. Per questo, il platino è il miglior catalizzatore, almeno in un ambiente acido. Per l'anodo dove si forma l'ossigeno, l'iridio è il miglior catalizzatore. E questo è il metallo più raro sulla terra."

Nichel economico

"In un ambiente alcalino puoi usare il nichel al posto dell'iridio, che è molto più economico. Però, la produzione di idrogeno è molto più difficile in un ambiente alcalino che in un ambiente acido. Il catodo richiede una tensione maggiore per produrre idrogeno, che rende l'intero processo meno efficiente."

Nuotare in un campo elettrico

Marc Koper e il suo gruppo sospettavano che la forza del campo elettrico avesse un ruolo nella velocità della reazione. "In un ambiente acido, c'è un campo elettrico più debole sull'elettrodo di platino a una data tensione rispetto a un ambiente alcalino. Un forte campo elettrico rende le molecole d'acqua quasi "congelate". Le particelle cariche come i protoni e gli ioni idrossido hanno pochi problemi a muoversi quando le molecole d'acqua si muovono facilmente. Ma in un ambiente alcalino il campo elettrico è forte, risultando in molecole d'acqua che non possono muoversi quando una particella carica deve passare. Per queste particelle, è più difficile raggiungere l'elettrodo di platino. Questo è il motivo per cui la reazione è più lenta che in un ambiente acido, " Capodistria illustra la sua teoria.

Ci siamo chiesti:come si misura, ad esempio, un campo elettrico vicino alla superficie dell'elettrodo?", afferma Koper. "I colleghi dell'Università di Alicante in Spagna hanno sviluppato un metodo speciale per misurare questo campo, così il nostro PhD Isis Ledezma-Yanez li ha visitati. Le misure concordate con il nostro modello. Prossimo, testeremo se il modello è corretto anche con altri catalizzatori oltre al platino".

Per di più, questa ricerca offre a Capodistria un nuovo modo per migliorare i sistemi che producono idrogeno dall'acqua. "Prima di questa ricerca, ci siamo concentrati solo sull'energia di legame del catalizzatore con l'idrogeno. Questo non dovrebbe essere troppo forte, ma non dovrebbe nemmeno essere troppo debole. Ora sappiamo che anche la forza del campo elettrico gioca un ruolo importante. Effettueremo ulteriori esperimenti per verificarlo, ad esempio variando la composizione della soluzione.

Il modo in cui si forma l'idrogeno è diverso in un ambiente acido rispetto a un ambiente alcalino.

Ambiente acido

Un protone (una particella con carica positiva) si muove attraverso la soluzione acquosa verso la superficie del platino e si lega al platino come un atomo di idrogeno.

Due atomi di idrogeno legati in superficie, si legano e formano idrogeno.

Ambiente alcalino

L'acqua reagisce sulla superficie del platino, risultante in un atomo di idrogeno legato al platino e uno ione idrossido caricato negativamente (OH ^- ).

Lo ione idrossido si sposta verso la soluzione acquosa lontano dalla superficie del platino. A causa del forte campo elettrico e della corrispondente acqua "congelata", questo passaggio è lento.