L'idrogeno è uno dei combustibili puliti più promettenti per l'uso nelle automobili, case e generatori portatili. Quando prodotto da acqua utilizzando risorse energetiche rinnovabili, è anche un combustibile sostenibile senza impronta di carbonio.

Però, i sistemi di scissione dell'acqua richiedono un catalizzatore molto efficiente per accelerare la reazione chimica che divide l'acqua in idrogeno e ossigeno, impedendo ai gas di ricombinarsi in acqua. Ora un team di ricerca internazionale, compresi gli scienziati del Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia, ha sviluppato un nuovo catalizzatore con un rivestimento in molibdeno che previene questa problematica reazione di ritorno e funziona bene in condizioni operative realistiche.

Una parte fondamentale dello sviluppo si è concentrata sulla comprensione del funzionamento del rivestimento di molibdeno utilizzando esperimenti presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) di SLAC. una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. Gli scienziati hanno riportato i loro risultati il ​​13 aprile in Angewandte Chemie .

"Quando dividi l'acqua in idrogeno e ossigeno, i prodotti gassosi della reazione si ricombinano facilmente in acqua ed è fondamentale evitarlo, " disse Angel Garcia-Esparza, autore principale e attualmente ricercatore post-dottorato presso l'Ecole Normale Supérieure de Lyon. "Abbiamo scoperto che un catalizzatore rivestito di molibdeno è in grado di produrre in modo selettivo idrogeno dall'acqua inibendo le reazioni posteriori della formazione dell'acqua".

Gli esperimenti hanno dimostrato che la loro strategia di rivestimento in molibdeno ha applicazioni nei dispositivi di elettrocatalisi e fotocatalisi, ha aggiunto Garcia-Esparza. Questi sono dispositivi che aiutano a far avanzare una reazione usando l'elettricità o la luce.

Alla ricerca della stabilità

Garcia-Esparza ha contribuito a sviluppare il nuovo catalizzatore come studente laureato presso la King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Arabia Saudita sotto la direzione di Kazuhiro Takanabe, professore associato di scienze chimiche alla KAUST. Il gruppo di ricerca di Takanabe ha esplorato la stabilità, prestazioni e funzione di molti elementi diversi prima di selezionare il molibdeno come rivestimento per un catalizzatore standard a base di platino.

"Trovare un rivestimento che funzionasse bene nell'elettrolita acido utilizzato per la scissione dell'acqua è stata una grande sfida per i miei collaboratori, perché molti materiali si degradano rapidamente in condizioni acide, " ha detto il co-autore Dimosthenis Sokaras, uno scienziato del personale presso SLAC.

Dei rivestimenti che hanno testato, "Il molibdeno era il materiale con le migliori prestazioni nei mezzi acidi, dove le condizioni per l'evoluzione dell'idrogeno sono favorevoli e facili, Ha spiegato Garcia-Esparza.

Testare le prestazioni

Un'altra grande sfida è stata trovare un modo per misurare le proprietà del loro catalizzatore rivestito di molibdeno, perché questi composti di molibdeno non sono stabili se esposti all'aria. "Togliere il catalizzatore dall'acqua perturba l'identità del materiale, " disse Garcia-Esparza. "Pertanto, era necessario studiare l'elettrocatalizzatore in condizioni di lavoro, che è difficile."

Così Garcia-Esparza ha trascorso un'estate eseguendo esperimenti di elettrochimica presso SSRL per caratterizzare il nuovo catalizzatore in condizioni operative. "L'idea era di lavorare insieme per vedere come funzionava il catalizzatore rivestito di molibdeno e determinarne la struttura elettronica quando era in funzione, " ha detto Sokaras. "Volevamo capire perché la reazione di schiena non avviene".

Hanno testato un catalizzatore al platino nudo, con e senza rivestimento in molibdeno, durante l'elettrolisi dell'acqua a SSRL, utilizzando in operando la spettroscopia di assorbimento dei raggi X con una cella elettrochimica su misura. "In SSRL, siamo stati essenzialmente in grado di eseguire l'elettrochimica analizzando il campione con la radiazione di sincrotrone, "Garcia-Esparza ha detto. "Gli esperimenti eseguiti allo SLAC sono stati l'ultimo pezzo del puzzle per determinare la struttura locale e lo stato dell'elettrocatalizzatore nelle condizioni operative della produzione di idrogeno".

"I nostri risultati supportano che lo strato di molibdeno agisce come una membrana per impedire ai gas di ossigeno e idrogeno di raggiungere la superficie del platino, che impedisce la formazione di acqua, " ha detto Sokara.

Inoltre, il team di ricerca ha esplorato le applicazioni della fotocatalisi. Hanno costruito un sistema di scissione dell'acqua fotocatalitico utilizzando un catalizzatore standard di platino su ossido di titanio e stronzio (Pt/SrTiO3) o lo stesso catalizzatore rivestito di molibdeno. Entrambi i sistemi sono stati testati alla KAUST con le luci accese e spente, ovvero, con e senza una fonte di energia che guida la reazione di scissione dell'acqua.

Quando la luce era accesa, il catalizzatore standard Pt/SrTiO3 ha aumentato la produzione di idrogeno per sole sei ore perché il sistema ha perso efficienza a causa della reazione di ritorno. Quando poi le luci furono spente, la quantità di idrogeno è diminuita nel tempo, verificando che quantità significative di gas si stessero ricombinando per formare acqua.

In contrasto, il catalizzatore rivestito di molibdeno divide continuamente l'acqua per generare quantità crescenti di gas idrogeno per 24 ore, producendo circa il doppio di gas idrogeno rispetto al catalizzatore standard in un giorno. Inoltre, la quantità di idrogeno è rimasta stabile al buio, confermando che il rivestimento ha inibito la formazione di acqua

Questi risultati sono promettenti, ma è necessario ancora molto lavoro prima che il catalizzatore possa essere utilizzato in un dispositivo pratico. Sokaras ha detto, "Penso che siamo lontani dal parlare di un dispositivo commerciale, ma è certamente un enorme miglioramento avere questo nuovo materiale catalizzatore che previene la reazione di ritorno. Ora dobbiamo trovare un modo per rendere il rivestimento più stabile in modo che produca idrogeno ancora più a lungo".