Nanomateriali che accelerano la produzione di gas idrogeno sono stati creati dai ricercatori di A*STAR e NTU. Questo lavoro potrebbe aiutare a sviluppare tecnologie più efficienti per produrre questo combustibile pulito.

Quando l'idrogeno brucia, produce solo acqua come sottoprodotto, rendendolo un attraente carburante pulito per veicoli e altre applicazioni energetiche. Però, la maggior parte dell'idrogeno mondiale è attualmente prodotta utilizzando combustibili fossili in un processo che emette grandi quantità di anidride carbonica, gas serra.

I ricercatori stanno quindi cercando di produrre idrogeno scindendo l'acqua utilizzando l'elettricità generata da fonti rinnovabili. Questi sistemi di elettrolisi utilizzano tipicamente elettrodi contenenti catalizzatori, che accelerano la produzione di idrogeno e riducono la quantità di elettricità necessaria per guidare la reazione di evoluzione dell'idrogeno, una delle due reazioni coinvolte nella scissione dell'acqua.

Ora, Yonghua Du dell'A*STAR Institute of Chemical and Engineering Sciences, lavorando con il gruppo di Hua Zhang alla Nanyang Technological University, ha studiato le capacità catalitiche di nanomateriali a base di seleniuro di solfuro di renio.

I ricercatori si sono concentrati su una fase che contiene catene a zigzag di atomi di renio tra strati deformati di zolfo e selenio. Hanno usato un reagente chimico per inserire il litio tra questi strati atomici. L'aggiunta di acqua ha innescato una reazione che ha staccato punti di materiale di appena 2 nanometri.

Il team ha quindi testato le nanoparticelle contenenti proporzioni variabili di zolfo e selenio. Il materiale con uguali quantità di zolfo e selenio aveva le migliori prestazioni catalitiche, richiedendo la tensione più bassa per catalizzare la reazione di evoluzione dell'idrogeno. Questo particolare materiale era anche altamente stabile, mostrando una perdita di prestazioni trascurabile anche dopo 20, 000 cicli di prova.

Per comprendere le origini di questa attività catalitica, Il team di Du ha utilizzato la spettroscopia di assorbimento dei raggi X per studiare la disposizione degli atomi nelle nanoparticelle. Hanno scoperto che il processo utilizzato per creare le nanoparticelle potrebbe anche creare difetti eliminando gli atomi di zolfo dalla struttura del materiale.

Il gruppo di Zhang ha eseguito ulteriori esperimenti e calcoli teorici per dimostrare che questi difetti miglioravano l'attività catalitica delle nanoparticelle consentendo l'accumulo di una carica sugli atomi di renio vicino al sito dello zolfo mancante (vedi immagine).

"L'ingegneria dei difetti si è rivelata uno dei modi più efficaci per migliorare l'attività dei catalizzatori per la reazione di evoluzione dell'idrogeno elettrocatalitico, e la spettroscopia di assorbimento dei raggi X è una tecnica chiave per svelare i difetti nei nanomateriali, "dice Zhang.

I ricercatori affermano che questo approccio alla comprensione dell'attività catalitica dovrebbe aiutare nella progettazione e nella sintesi di altri elettrocatalizzatori ad alte prestazioni.