L'idrogeno prodotto dall'acqua dalla reazione di evoluzione dell'idrogeno è un'attraente fonte di combustibile pulito. La produzione di idrogeno su larga scala a basso costo è necessaria per realizzare la sua fattibilità come fonte di energia alternativa ai combustibili fossili. Per raggiungere questo obiettivo, durevole, sono necessari catalizzatori economici. La maggior parte dei catalizzatori presenti a base di metalli non preziosi soffre di instabilità nelle soluzioni acide formate durante l'evoluzione dell'idrogeno. Però, la semplice protezione del catalizzatore dalla soluzione acida tende ad abbassarne l'attività.
Una collaborazione guidata dall'Università di Tsukuba ha recentemente ottimizzato un approccio per aumentare la stabilità dei catalizzatori utilizzati nella reazione di evoluzione dell'idrogeno senza sacrificare notevolmente l'attività. Il team ha scoperto che il rivestimento delle nanoparticelle del catalizzatore con un numero ottimale di strati di grafene, un foglio di atomi di carbonio organizzato in un reticolo a nido d'ape con elevata conduttività e resistenza meccanica, ha aumentato la durata delle nanoparticelle consentendo alle nanoparticelle di mantenere la loro attività catalitica. Lo studio è stato riportato in ACS Energy Letters.
"Abbiamo ottimizzato l'equilibrio tra il numero di strati di grafene che ricoprono le nanoparticelle e la loro attività catalitica, ", afferma il primo autore dello studio Kailong Hu. "Per fare questo, dovevamo controllare con precisione il numero di strati di grafene che ricoprivano le nanoparticelle, che abbiamo ottenuto regolando attentamente il tempo di deposizione del grafene sulle nanoparticelle".
È stata fabbricata una serie di campioni di nanoparticelle rivestiti con un numero diverso di strati di grafene, caratterizzato, e quindi è stata determinata la loro attività catalitica nella reazione di evoluzione dell'idrogeno. Le nanoparticelle del catalizzatore rivestite con il numero ottimale di strati di grafene, che era solo da tre a cinque strati, mostrato un'attività simile nella reazione di evoluzione dell'idrogeno a quella di un costoso catalizzatore a base di platino. È importante sottolineare che queste nanoparticelle hanno anche mostrato un'elevata stabilità; il rivestimento in grafene ha impedito alle nanoparticelle di metallo di dissolversi nella soluzione di reazione acida.
I ricercatori hanno condotto calcoli teorici per supportare i loro risultati sperimentali. I risultati hanno confermato le relazioni tra il numero dello strato di grafene, stabilità chimica, e l'attività catalitica delle nanoparticelle indicata dai dati sperimentali. Questo è, le nanoparticelle rivestite con meno di tre strati di grafene hanno mostrato un'attività catalitica maggiore rispetto a quelle rivestite con tre o cinque strati, ma ciò è avvenuto a scapito della durata; il primo ha mostrato una stabilità chimica inferiore rispetto al secondo.
"I nostri risultati aprono la strada alla progettazione razionale di stabili, catalizzatori economici per la produzione di idrogeno su larga scala nelle stazioni di idrogeno mediante elettrolisi in loco della membrana dell'elettrolita polimerico in condizioni acide, " spiega il coautore Yoshikazu Ito.
I risultati del team ci portano un passo avanti verso la realizzazione di un futuro pulito e sostenibile utilizzando l'idrogeno come fonte di carburante.
