I ricercatori sanno da tempo che il cerio è l'elemento migliore da utilizzare quando si divide l'acqua in idrogeno e ossigeno, una tecnica chiave nella creazione di gas idrogeno per il carburante. Ma perché, Esattamente, il cerio ha così tanto successo che è stato compreso molto meno.

Ora un team della Northwestern University guidato da Chris Wolverton ha scoperto che l'entropia elettronica del cerio, che viene creato quando un elettrone passa tra vari stati all'interno di un guscio elettronico, è la ragione alla base del suo successo. Questa scoperta potrebbe aiutare i ricercatori a sfruttare meglio l'entropia del cerio per le tecnologie di scissione dell'acqua.

"Affinché la scissione dell'acqua sia abbastanza veloce da essere pratica, hai bisogno di una grande quantità di entropia, " ha detto Wolverton, professore di scienza e ingegneria dei materiali alla McCormick School of Engineering della Northwestern. "Si scopre che il cerio è magico per l'entropia."

Supportato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, la ricerca è stata recentemente pubblicata in Comunicazioni sulla natura . Shahab Naghavi, un borsista post-dottorato nel Wolverton Research Group, servito come primo autore del documento.

Dagli anni '70, ricercatori hanno propagandato il potenziale di una "economia dell'idrogeno, " in cui l'idrogeno sostituirebbe la benzina per alimentare il trasporto terrestre. Quando bruciato, l'unico sottoprodotto dell'idrogeno è l'acqua, rendendolo ecologicamente più pulito e più efficiente dal punto di vista energetico rispetto alle sue alternative a combustibili fossili. Gas idrogeno puro, però, è molto raro nell'atmosfera terrestre.

"Il problema è:come si ottiene l'idrogeno in primo luogo?" chiese Wolverton. "Attualmente, devi bruciare idrocarburi, ma questo produce anidride carbonica."

La scissione dell'acqua (o del vapore) potrebbe produrre in modo pulito ed efficiente abbastanza idrogeno puro per rendere l'economia dell'idrogeno una vera possibilità. Per separare l'idrogeno dall'ossigeno, i ricercatori utilizzano il calore generato dalla radiazione solare e dall'ossido di cerio, o ceria. Usando la luce solare per riscaldare la ceria a 1, 000- a 1, 500 gradi Celsius innesca una serie di reazioni che causano la scissione dell'idrogeno.

Wolverton e altri sapevano in precedenza che l'entropia era la chiave per rendere possibile questa reazione, ma non sono stati in grado di trovare la fonte dell'entropia del cerio. "La maggior parte delle persone pensava che l'entropia fosse causata dalla miscelazione di ossigeno o vibrazioni dal calore, " ha detto Wolverton. "Ma abbiamo scoperto che si tratta di una fonte diversa, e non è quello che potresti pensare."

Affinché la reazione chimica che guida la scissione dell'acqua abbia successo, il cerio nell'ossido deve guadagnare un elettrone. E quel singolo elettrone dà origine a un'intera quantità di entropia.

"Se ci sono più posti per l'elettrone, che dà origine all'entropia elettronica, "Spiegava Wolverton. "L'elettrone può passare da uno stato all'altro all'altro e crea disordine sulla scala elettronica, e quindi, entropia."

La famiglia di elementi del cerio, nota come terre rare, ha naturalmente più stati di elettroni attorno ai quali l'elettrone può muoversi. Il team di Wolverton ha calcolato l'entropia elettronica di tutte e 17 le terre rare e ha scoperto che il cerio ha dimostrato la quantità maggiore.

"Per molto tempo, sappiamo che il cerio fa bene alla scissione dell'acqua, ma non sapevamo bene perché, " ha detto Wolverton. "Ora sappiamo in parte perché, e questo apre possibilità per il lavoro futuro."