Gli scienziati hanno sviluppato un nuovo catalizzatore a bassa temperatura per la produzione di gas idrogeno di elevata purezza e contemporaneamente l'utilizzo di monossido di carbonio (CO). La scoperta descritta in un articolo da pubblicare online sulla rivista Scienza di giovedì, 22 giugno 2017-potrebbe migliorare le prestazioni delle celle a combustibile che funzionano a idrogeno ma possono essere avvelenate dalla CO.

"Questo catalizzatore produce una forma più pura di idrogeno da alimentare nella cella a combustibile, " ha detto José Rodriguez, un chimico presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). Rodriguez e i colleghi della divisione chimica di Brookhaven, Ping Liu e Wenqian Xu, facevano parte del team di scienziati che hanno contribuito a caratterizzare i dettagli strutturali e meccanicistici del catalizzatore, che è stato sintetizzato e testato dai collaboratori dell'Università di Pechino in uno sforzo guidato dal professore di chimica Ding Ma.

Poiché il catalizzatore opera a bassa temperatura e bassa pressione per convertire acqua (H2O) e monossido di carbonio (CO) in gas idrogeno (H2) e anidride carbonica (CO2), potrebbe anche ridurre il costo di esecuzione di questa cosiddetta reazione di "spostamento del gas dell'acqua".

"A bassa temperatura e pressione, il consumo di energia sarà inferiore e la configurazione sperimentale sarà meno costosa e più facile da usare in piccoli ambienti, come le celle a combustibile per le automobili, " ha detto Rodriguez.

La connessione oro-carburo

Il catalizzatore è costituito da grappoli di nanoparticelle d'oro stratificate su un substrato di carburo di molibdeno. Questa combinazione chimica è molto diversa dai catalizzatori a base di ossido utilizzati per alimentare la reazione di spostamento del gas dell'acqua negli impianti di produzione di idrogeno industriale su larga scala.

"I carburi sono chimicamente più reattivi degli ossidi, " ha detto Rodriguez, "e l'interfaccia oro-carburo ha buone proprietà per la reazione di spostamento del gas dell'acqua; interagisce meglio con l'acqua rispetto ai metalli puri".

"Il gruppo dell'Università di Pechino ha scoperto un nuovo metodo sintetico, ed è stata una vera svolta, " Ha detto Rodriguez. "Hanno trovato un modo per ottenere una specifica fase, o configurazione degli atomi, che è altamente attiva per questa reazione".

Gli scienziati di Brookhaven hanno svolto un ruolo chiave nel decifrare le ragioni dell'elevata attività catalitica di questa configurazione. Rodriguez, Wenqian Xu, e Siyu Yao (allora studente all'Università di Pechino ma ora ricercatore post-dottorato a Brookhaven) hanno condotto studi strutturali utilizzando la diffrazione dei raggi X presso la National Synchrotron Light Source (NSLS) mentre il catalizzatore funzionava in condizioni industriali o tecniche. Questi esperimenti operando hanno rivelato dettagli cruciali su come la struttura è cambiata in diverse condizioni operative, anche a temperature diverse.

Con quei dettagli strutturali in mano, Zhijun Zuo, un professore in visita a Brookhaven della Taiyuan University of Technology, Cina, e il chimico di Brookhaven Ping Liu hanno aiutato a sviluppare modelli e un quadro teorico per spiegare perché il catalizzatore funziona in quel modo, utilizzando risorse computazionali presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) di Brookhaven.

"Abbiamo modellato diverse interfacce di oro e carburo di molibdeno e studiato il meccanismo di reazione per identificare esattamente dove avvengono le reazioni:i siti attivi in ​​cui gli atomi si legano, e come i legami si rompono e si riformano, " lei disse.

Ulteriori studi presso il Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS) dell'Oak Ridge National Laboratory, l'Advanced Light Source (ALS) presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, e due strutture di ricerca sul sincrotrone in Cina hanno contribuito alla comprensione degli scienziati.

"Questa è una reazione complessa in più parti, " disse Liù, ma ha notato un fattore essenziale:"L'interazione tra l'oro e il substrato di carburo è molto importante. L'oro di solito lega le cose in modo molto debole. Con questo metodo di sintesi otteniamo una maggiore aderenza dell'oro al carburo di molibdeno in modo controllato".

Tale configurazione stabilizza l'intermedio chiave che si forma man mano che la reazione procede, e la stabilità di quell'intermedio determina il tasso di produzione di idrogeno, lei disse.

Il team di Brookhaven continuerà a studiare questo e altri catalizzatori in carburo con nuove capacità presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una nuova struttura aperta al Brookhaven Lab nel 2014, sostituendo NSLS e producendo raggi X che sono 10, 000 volte più luminoso. Con questi raggi X più luminosi, gli scienziati sperano di catturare maggiori dettagli della chimica in azione, compresi i dettagli degli intermedi che si formano durante il processo di reazione per convalidare le previsioni teoriche fatte in questo studio.