I carburi metallici bidimensionali innescano una reazione che divide l'acqua in ossigeno e prezioso gas idrogeno. I ricercatori di Berkeley hanno scoperto una nuova ricetta facile per cucinare questi fogli sottili nanometri che è quasi semplice come fare Jell-O da una scatola. Credito:grafica Xining Zang, copyright Wiley
Un nuovo catalizzatore economico ed efficace sviluppato dai ricercatori dell'Università della California, Berkeley, può generare idrogeno dall'acqua con la stessa efficienza del platino, attualmente il catalizzatore per la scissione dell'acqua migliore, ma anche il più costoso in circolazione.
Il catalizzatore, che è composto da fogli sottili di nanometri di carburo metallico, è prodotto utilizzando un processo di autoassemblaggio che si basa su un ingrediente sorprendente:gelatina, il materiale che fa vibrare Jell-O.
"Il platino è costoso, quindi sarebbe auspicabile trovare altri materiali alternativi per sostituirlo, ", ha affermato l'autore senior Liwei Lin, professore di ingegneria meccanica alla UC Berkeley. "In realtà stiamo usando qualcosa di simile alla gelatina che puoi mangiare come base, e mescolandolo con alcuni degli abbondanti elementi della terra per creare un nuovo materiale poco costoso per importanti reazioni catalitiche".
L'opera appare nell'edizione cartacea della rivista del 13 dicembre Materiale avanzato .
Una scarica di elettricità può spezzare i forti legami che legano insieme le molecole d'acqua, creando ossigeno e idrogeno gassoso, quest'ultima è una fonte di energia estremamente preziosa per alimentare le celle a combustibile a idrogeno. Il gas idrogeno può essere utilizzato anche per aiutare a immagazzinare energia da fonti energetiche rinnovabili ma intermittenti come l'energia solare ed eolica, che producono elettricità in eccesso quando splende il sole o quando soffia il vento, ma che vanno in letargo nei giorni di pioggia o di calma.
Quando ingrandito, i carburi metallici bidimensionali assomigliano a fogli di cellphane. Credito:foto di Xining Zang, copyright Wiley
Ma semplicemente infilare un elettrodo in un bicchiere d'acqua è un metodo estremamente inefficiente per generare gas idrogeno. Negli ultimi 20 anni, gli scienziati hanno cercato catalizzatori in grado di accelerare questa reazione, rendendolo pratico per un uso su larga scala.
"Il modo tradizionale di utilizzare il gas d'acqua per generare idrogeno domina ancora nell'industria. Tuttavia, questo metodo produce anidride carbonica come sottoprodotto, " ha detto il primo autore Xining Zang, che ha condotto la ricerca come studente laureato in ingegneria meccanica alla UC Berkeley. "La generazione di idrogeno elettrocatalitico è in crescita negli ultimi dieci anni, seguendo la domanda globale di ridurre le emissioni. Lo sviluppo di un catalizzatore altamente efficiente e a basso costo per l'elettroidrolisi porterà profonde conoscenze tecniche, vantaggio economico e sociale».
Per creare il catalizzatore, i ricercatori hanno seguito una ricetta semplice quasi come fare la gelatina da una scatola. Hanno mescolato gelatina e uno ione metallico, o molibdeno, tungsteno o cobalto, con acqua, e poi lasciate asciugare il composto.
"Crediamo che quando la gelatina si asciuga, si autoassembla strato per strato, " Lin ha detto. "Lo ione metallico è trasportato dalla gelatina, quindi quando la gelatina si autoassembla, anche il tuo ione metallico è disposto in questi strati piatti, e questi fogli piatti sono ciò che conferisce a Jell-O la sua caratteristica superficie a specchio."
Il riscaldamento della miscela a 600 gradi Celsius fa reagire lo ione metallico con gli atomi di carbonio nella gelatina, formando grande, fogli di carburo metallico sottili nanometri. La gelatina non reagita brucia.
Le molecole in gelatina si autoassemblano naturalmente in fogli piani, portando con sé gli ioni metallici (a sinistra). Riscaldando la miscela a 600 gradi Celsius si brucia la gelatina, lasciando fogli sottili di nanometri di carburo metallico. Credito:illustrazione di Xining Zang, copyright Wiley
I ricercatori hanno testato l'efficienza dei catalizzatori mettendoli in acqua e facendo passare una corrente elettrica attraverso di essi. Quando impilati uno contro l'altro, il carburo di molibdeno divide l'acqua nel modo più efficiente, seguito da carburo di tungsteno e poi carburo di cobalto, che non formava strati sottili come gli altri due. La miscelazione di ioni molibdeno con una piccola quantità di cobalto ha ulteriormente migliorato le prestazioni.
"È possibile che altre forme di metallo duro possano fornire prestazioni ancora migliori, " ha detto Lino.
La forma bidimensionale del catalizzatore è uno dei motivi per cui ha tanto successo. Questo perché l'acqua deve essere a contatto con la superficie del catalizzatore per svolgere il suo lavoro, e l'ampia superficie delle lamiere fa sì che i carburi metallici siano estremamente efficienti per il loro peso.
Perché la ricetta è così semplice, potrebbe essere facilmente scalato per produrre grandi quantità di catalizzatore, dicono i ricercatori.
"Abbiamo scoperto che le prestazioni sono molto vicine al miglior catalizzatore in platino e carbonio, che è il gold standard in questo settore, " Lin ha detto. "Questo significa che possiamo sostituire il platino molto costoso con il nostro materiale, che è realizzato in un processo di produzione molto scalabile."
