L'equilibrio costituisce la base per una vita felice o una dieta sana. Per gli scienziati che lavorano per progettare nuovi catalizzatori per creare energia rinnovabile, equilibrare i diversi materiali e le loro proprietà è altrettanto importante. (I catalizzatori aiutano ad accelerare le reazioni chimiche.)

In un nuovo studio, ricercatori del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne National Laboratory, Università John Hopkins, La Drexel University e diverse università della Corea del Sud hanno utilizzato un approccio nuovo e controintuitivo per creare un catalizzatore migliore che supporti una delle reazioni coinvolte nella scissione dell'acqua in idrogeno e ossigeno. Gli scienziati prevedono di utilizzare l'idrogeno generato come combustibile pulito.

Creando prima una lega di due degli elementi naturali più densi e poi rimuovendone uno, gli scienziati hanno rimodellato la struttura del materiale rimanente in modo che bilanciasse meglio tre fattori importanti per le reazioni chimiche:attività, stabilità e conducibilità.

"Trovare un materiale che funzioni bene per la conversione o l'accumulo di energia è come creare un matrimonio felice, " ha detto Nenad Markovic, uno scienziato dei materiali Argonne e autore dello studio. "Nel nostro caso, abbiamo scoperto che una partnership dinamica tra due materiali diversi ci ha aiutato a integrare le preoccupazioni in competizione".

Gli scienziati alla ricerca di nuovi catalizzatori hanno perlustrato la tavola periodica per trovare gli elementi o le combinazioni giuste di elementi per massimizzare l'attività di un catalizzatore nelle reazioni di scissione dell'acqua, così come la durabilità dei siti attivi sulla sua superficie. Trovare materiali che siano sia stabili che attivi, però, è stata una sfida.

"I catalizzatori più attivi tendono ad essere meno stabili, " Markovic ha detto. "Quelli che sembrano funzionare il doppio di solito funzionano solo la metà del tempo. Sta diventando ovvio che la progettazione di catalizzatori attivi non è sufficiente:dobbiamo avere non solo attivi, ma anche stabile, materiali."

Per il nuovo catalizzatore, Markovic e i suoi colleghi si sono rivolti all'iridio, un metallo più comunemente associato ai meteoriti. Come un film sottile, l'iridio è cataliticamente attivo, ma poiché reagisce nel tempo con un ambiente elettrolitico, gli atomi di iridio si ossidano. Durante questo processo, alcuni di essi lasciano la superficie del catalizzatore per corrosione, compromettendone sempre più le prestazioni.

Il team di ricerca ha lavorato per prevenire l'ossidazione riorganizzando la struttura dell'iridio. Per aiutare a stabilizzare e attivare l'iridio, l'hanno legato con il suo vicino sulla tavola periodica, osmio.

A differenza dell'iridio, l'osmio non è né cataliticamente attivo né stabile, ma offriva un vantaggio chiave. Dopo aver unito insieme l'osmio e l'iridio, i ricercatori hanno poi de-legato i due metalli, lasciando solo una struttura riconfigurata di nanopori di iridio tridimensionale.

"Senza l'osmio, l'iridio non raggiungerebbe mai questo stato, " Ha detto Markovic. "Avevamo bisogno di introdurre e quindi rimuovere l'osmio per ottenere una forma di iridio che fosse sia attiva che stabile".

Markovic ha affermato che la maggiore stabilità catalitica di ciascun nanoporo è dovuta al piccolo volume di elettrolita all'interno di un poro che si satura rapidamente di ioni di iridio in modo che gli atomi di superficie smettano di dissolversi, più o meno allo stesso modo in cui è più facile saturare una tazza d'acqua con lo zucchero che una brocca da 10 galloni.

Mentre la struttura del nanoporo rispondeva alla necessità di uno stabile, catalizzatore attivo, è stato un altro aspetto della riconfigurazione dell'iridio che ha contribuito ad aumentare la conduttività elettronica del materiale. In condizioni operative, il catalizzatore poroso forma in realtà un guscio unico di ossido di iridio meno conduttivo attorno al suo interno di metallo iridio altamente conduttivo. Per di qua, gli elettroni possono muoversi facilmente attraverso la maggior parte del catalizzatore per raggiungere la superficie, dove la molecola d'acqua attende gli elettroni per avviare la reazione di scissione dell'acqua.

"Essenzialmente, stiamo cercando di trovare un modo per inviare elettroni attraverso l'autostrada, ' invece di fargli prendere strade secondarie, " Markovic ha detto. "Questa configurazione core-shell [del materiale nanoporoso] ci permette di farlo".

Lo studio, "Attività di bilanciamento, stabilità e conduttività di catalizzatori nanoporosi per l'evoluzione dell'ossigeno iridio/ossido di iridio, " apparso nel numero del 13 novembre di Comunicazioni sulla natura .