Un catalizzatore sviluppato dalla Rice University e dall'Università di Houston divide l'acqua in idrogeno e ossigeno senza la necessità di metalli costosi come il platino. Questa immagine al microscopio elettronico mostra una schiuma di nichel rivestita di grafene e quindi la superficie catalitica del ferro, manganese e fosforo. Credito:Desmond Schipper/Rice University
La scissione dell'acqua in idrogeno e ossigeno per produrre energia pulita può essere semplificata con un singolo catalizzatore sviluppato dagli scienziati della Rice University e dell'Università di Houston.
Il film elettrolitico prodotto alla Rice e testato a Houston è una struttura a tre strati di nichel, grafene e un composto di ferro, manganese e fosforo. Il nichel schiumoso conferisce al film un'ampia superficie, il grafene conduttivo protegge il nichel dalla degradazione e il fosfuro metallico effettua la reazione.
Il materiale robusto è oggetto di un documento in Nano energia .
Il chimico del riso Kenton Whitmire e l'ingegnere elettrico e informatico di Houston Jiming Bao e i loro laboratori hanno sviluppato il film per superare le barriere che di solito fanno un catalizzatore buono per la produzione di ossigeno o idrogeno, ma non entrambi contemporaneamente.
"I metalli normali a volte si ossidano durante la catalisi, " disse Whitmire. "Normalmente, una reazione di evoluzione dell'idrogeno viene eseguita in acido e una reazione di evoluzione dell'ossigeno viene eseguita in base. Abbiamo un materiale che è stabile sia che sia in una soluzione acida o basica".
La scoperta si basa sulla creazione da parte dei ricercatori di un semplice catalizzatore per l'evoluzione dell'ossigeno rivelato all'inizio di quest'anno. In quel lavoro, il team ha sviluppato un catalizzatore direttamente su un array di nanobarre semiconduttori che ha trasformato la luce solare in energia per la scissione dell'acqua solare.
L'elettrocatalisi richiede due catalizzatori, un catodo e un anodo. Quando viene messo in acqua e caricato, si formerà idrogeno su un elettrodo e ossigeno sull'altro, e questi gas vengono catturati. Ma il processo richiede generalmente metalli costosi per funzionare con la stessa efficienza del catalizzatore del team Rice.
Una pellicola di schiuma di nichel ad alta superficie rivestita con grafene e un composto di ferro, manganese e fosforo fungono da catalizzatore per la scissione dell'acqua in grado di produrre contemporaneamente idrogeno e ossigeno. Il materiale è stato creato alla Rice University e testato presso l'Università di Houston. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
"Lo standard per l'evoluzione dell'idrogeno è il platino, " disse Whitmire. "Stiamo usando materiali in abbondanza sulla Terra:ferro, manganese e fosforo, al contrario dei metalli nobili che sono molto più costosi."
Il nuovo catalizzatore richiede anche meno energia, disse Whitmire. "Se vuoi produrre idrogeno e ossigeno, devi mettere energia, e più ci metti dentro, meno redditizio dal punto di vista commerciale, " ha detto. "Vuoi farlo con la minima quantità di energia possibile. Questo è un vantaggio del nostro materiale:il potenziale eccessivo (la quantità di energia necessaria per attivare l'elettrocatalisi) è piccolo, e abbastanza competitivo con altri materiali. Più in basso puoi ottenerlo, più ti avvicini a renderlo il più efficiente possibile per la scissione dell'acqua."
Grafene, la forma spessa di un atomo di carbonio, è la chiave per proteggere il nichel sottostante. Si formano da uno a tre strati di grafene sulla schiuma di nichel in un forno a deposizione chimica da fase vapore (CVD), e il ferro, si aggiungono manganese e fosforo, anche via CVD e da un singolo precursore.
I test del laboratorio di Bao hanno confrontato la schiuma di nichel e il fosfuro sia con che senza grafene nel mezzo e hanno riscontrato che il grafene conduttivo riduceva la resistenza al trasferimento di carica sia per le reazioni dell'idrogeno che per quelle dell'ossigeno.
"Il nichel è uno dei migliori catalizzatori per produrre grafene, ", ha affermato il co-autore Desmond Schipper, uno studente laureato di riso. "Essenzialmente, stiamo usando il nichel per aiutare a migliorare il nichel." Ha detto che anche il manganese aggiunge un livello di protezione.
Whitmire ha affermato che il materiale è scalabile e dovrebbe trovare impiego nelle industrie che producono idrogeno e ossigeno o in impianti a energia solare ed eolica che possono utilizzare l'elettrocatalisi per immagazzinare energia non di punta.
Può anche essere adattato per produrre altri materiali avanzati. "Il nostro metodo potrebbe essere ampiamente applicabile a un gran numero di materiali di fosfuro metallico per catalizzatori, non solo per la scissione dell'acqua, ma per una serie di cose, " Egli ha detto.
"Un fattore critico è che siamo in grado di realizzare materiali a fase pura con diverse composizioni. Attualmente, le persone hanno pochissimo controllo sulla fase che ottengono su una superficie, e in molti casi ottengono una miscela. Quando ciò accade, non sanno quale fase sia effettivamente responsabile della catalisi. Con il nostro processo, possono sapere."
