Un elettrocatalizzatore creato alla Rice University si è dimostrato efficace quanto il platino per la produzione di idrogeno. Il processo crea bolle di idrogeno tra i piani del materiale stratificato, che rompe gli strati e rende i siti catalitici più accessibili. Credito:Yuanyue Liu/Rice University
Gli scienziati della Rice University e del Lawrence Livermore National Laboratory hanno previsto e creato nuovi elettrocatalizzatori bidimensionali per estrarre l'idrogeno dall'acqua con prestazioni elevate e basso costo.
Nel processo, hanno anche creato un semplice modello per schermare i materiali per l'attività catalitica.
Diversi catalizzatori sono stati modellati dal fisico teorico di Rice Boris Yakobson e dall'autore principale Yuanyue Liu, un ex studente laureato nel suo laboratorio, e realizzato e testato dagli scienziati dei materiali Rice guidati da Pulickel Ajayan e Jun Lou. Hanno scoperto che i nuovi catalizzatori dichalcogenide corrispondevano all'efficienza del platino, il catalizzatore della reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER) più comune nelle celle a scissione dell'acqua, e possono essere prodotti a una frazione del costo.
Lo studio appare in Energia della natura .
Gli scienziati che hanno testato i dichalcogenuri di molibdeno e tungsteno come possibili catalizzatori HER sono stati frustrati nello scoprire che i siti attivi tendevano a concentrarsi ai bordi delle piastrine metalliche, una piccola percentuale della superficie del materiale.
Il team di Rice si è rivolto al niobio e al tantalio, altri due metalli di transizione (e soprannominati elettrocatalizzatori del Gruppo 5 per la loro posizione centrale nella tavola periodica). Hanno combinato ciascuno con zolfo, aspettandosi che i nuovi composti avrebbero siti attivi lungo i loro piani basali.
Si è scoperto che l'idrogeno prodotto lungo gli aerei ha fatto qualcosa di inaspettato per rendere i materiali ancora più efficaci. "Il processo genera bolle di idrogeno tra gli strati, che inizia a dividerli, " Yakobson ha detto. "Questo rende i livelli più accessibili e aumenta il numero di siti attivi".
Un'immagine al microscopio elettronico a scansione mostra una scaglia dell'elettrocatalizzatore bidimensionale sviluppato alla Rice University. Il materiale costituito da un metallo di transizione e zolfo si è dimostrato in grado di estrarre idrogeno dall'acqua con alte prestazioni e basso costo. Credito:Yakobson Group/Rice University
Le piastrine multistrato che compongono entrambi i catalizzatori si sono assottigliate, più piccoli e più dispersi in quanto auto-ottimizzati, hanno osservato i ricercatori. L'assottigliamento ha accorciato il percorso che gli elettroni devono percorrere, che ha abbassato la resistenza al trasferimento di carica.
Liu ha affermato che i miglioramenti delle prestazioni in entrambi gli elettrocatalizzatori sono direttamente correlati ai cambiamenti nella forma fisica dei materiali nonostante non siano stati osservati cambiamenti nelle loro proprietà chimiche o cristalline.
"Questo lavoro è una buona combinazione di teoria ed esperimento, " disse Liù, che ha iniziato il progetto durante una borsa di studio del 2013 presso Lawrence Livermore. "Abbiamo prima analizzato il motivo per cui i vecchi catalizzatori - molibdeno e dicalcogenuri di tungsteno - non funzionano bene e abbiamo usato questa comprensione per prevedere nuovi catalizzatori. Ci siamo poi rivolti ai nostri colleghi sperimentali, che hanno realizzato e testato con successo i materiali e verificato le nostre previsioni".
Yakobson ha affermato che il metodo di Liu per modellare il materiale può essere importante quanto il materiale stesso. "Yuanyue in effetti ha creato un nuovo modo abbreviato per valutare le prestazioni catalitiche, " ha detto. "Il vecchio modo era quello di calcolare direttamente l'energia di legame del reagente, come l'idrogeno, alla superficie. Anziché, abbiamo scelto la proprietà del catalizzatore stesso per fungere da descrittore, senza doverci preoccupare di ciò che è stato assorbito.
"Questo lavoro è un raro esempio della Materials Genome Initiative in azione, " ha detto. "La teoria sviluppa un descrittore per la ricerca rapida tra numerose possibilità materiali e per accelerare la scoperta rispetto alla sperimentazione per tentativi ed errori." L'iniziativa è un programma federale per accelerare la scoperta e l'implementazione di materiali avanzati.
Le bolle di gas idrogeno si evolvono dall'acqua sulle superfici dell'elettrocatalizzatore di solfuro di tantalio. L'attività catalitica nei dicalcogenuri metallici a strati come questi è solitamente limitata ai bordi, ma questo lavoro riporta nuovi materiali che possono anche generare idrogeno sulle superfici. Credito:Ryan Chen/LLNL.
I ricercatori si aspettano che il comportamento auto-ottimizzante dei materiali avrà vantaggi pratici per l'elaborazione scalabile.
"Trovare catalizzatori tensioattivi in materiali stratificati è un significativo passo avanti per la produzione di idrogeno utilizzando catalizzatori di metalli non nobili, " ha detto il co-autore Lou, un professore di scienza dei materiali e nanoingegneria e di chimica. "È anche molto importante che tali attività di superficie possano essere verificate direttamente sperimentalmente, aprendo la strada a future applicazioni."
