Rompere i legami tra ossigeno e idrogeno nell'acqua potrebbe essere una chiave per la creazione di idrogeno in modo sostenibile, ma trovare una tecnica economicamente valida per questo si è rivelato difficile. I ricercatori segnalano un nuovo catalizzatore che genera idrogeno che elimina molti degli ostacoli:abbondanza, stabilità in condizioni acide ed efficienza.

Nel diario Angewandte Chemie , ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign riferiscono di un materiale elettrocatalitico ottenuto dalla miscelazione di composti metallici con una sostanza chiamata acido perclorico.

Gli elettrolizzatori usano l'elettricità per rompere le molecole d'acqua in ossigeno e idrogeno. Il più efficiente di questi dispositivi utilizza acidi corrosivi e materiali per elettrodi costituiti dai composti metallici ossido di iridio o ossido di rutenio. L'ossido di iridio è il più stabile dei due, ma l'iridio è uno degli elementi meno abbondanti sulla Terra, quindi i ricercatori sono alla ricerca di un materiale alternativo.

"Gran parte del lavoro precedente è stato eseguito con elettrolizzatori costituiti da soli due elementi:un metallo e l'ossigeno, " ha detto Hong Yang, un coautore e professore di ingegneria chimica e biomolecolare all'Illinois. "In un recente studio, abbiamo scoperto se un composto ha due elementi metallici—ittrio e rutenio—e ossigeno, la velocità della reazione di scissione dell'acqua è aumentata."

Yao Qin, un coautore ed ex membro del gruppo di Yang, sperimentato per la prima volta la procedura per realizzare questo nuovo materiale utilizzando diversi acidi e temperature di riscaldamento per aumentare la velocità della reazione di scissione dell'acqua.

I ricercatori hanno scoperto che quando usavano l'acido perclorico come catalizzatore e lasciavano reagire la miscela sotto il calore, la natura fisica del prodotto di ittrio rutenato è cambiata.

"Il materiale è diventato più poroso e ha anche una nuova struttura cristallina, diverso da tutti i catalizzatori solidi che abbiamo realizzato prima, " ha detto Jaemin Kim, l'autore principale e un ricercatore post-dottorato. Il nuovo materiale poroso sviluppato dal team, un ossido di pirocloro di ittrio rutenato, può dividere le molecole d'acqua a una velocità maggiore rispetto all'attuale standard del settore.

"A causa della maggiore attività che promuove, una struttura porosa è altamente desiderabile quando si tratta di elettrocatalizzatori, " Yang ha detto. "Questi pori possono essere prodotti sinteticamente con modelli di dimensioni nanometriche e sostanze per fare la ceramica; però, quelli non possono reggere nelle condizioni di alta temperatura necessarie per produrre catalizzatori solidi di alta qualità."

Yang e il suo team hanno esaminato la struttura del loro nuovo materiale con un microscopio elettronico e hanno scoperto che è quattro volte più poroso del rutenato di ittrio originale sviluppato in uno studio precedente, e tre volte quella degli ossidi di iridio e rutenio usati commercialmente.

"È stato sorprendente scoprire che l'acido che abbiamo scelto come catalizzatore per questa reazione si è rivelato in grado di migliorare la struttura del materiale utilizzato per gli elettrodi, "Ha detto Yang. "Questa realizzazione è stata fortuita e piuttosto preziosa per noi".

I prossimi passi per il gruppo sono fabbricare un dispositivo su scala di laboratorio per ulteriori test e continuare a migliorare la stabilità dell'elettrodo poroso in ambienti acidi, ha detto Yang.

"La stabilità degli elettrodi in acido sarà sempre un problema, ma sentiamo di aver inventato qualcosa di nuovo e diverso rispetto ad altri lavori in questo settore, " Yang ha detto. "Questo tipo di ricerca avrà un notevole impatto sulla generazione di idrogeno per l'energia sostenibile in futuro".

Studente laureato Pei-Chieh Shih, Anche Zaid Al-Bardanand e il ricercatore dell'Argonne National Laboratory Cheng-Jun Sun hanno contribuito a questa ricerca.