Le celle a combustibile a idrogeno sono una tecnologia promettente per la produzione di energia pulita e rinnovabile, ma il costo e l'attività dei loro materiali catodici è una grande sfida per la commercializzazione. Molte celle a combustibile richiedono costosi catalizzatori a base di platino, sostanze che avviano e accelerano le reazioni chimiche, per aiutare a convertire i combustibili rinnovabili in energia elettrica. Per rendere commercialmente sostenibili le celle a combustibile a idrogeno, gli scienziati sono alla ricerca di catalizzatori più convenienti che forniscano la stessa efficienza del platino puro.

"Come una batteria, Le celle a combustibile a idrogeno convertono l'energia chimica immagazzinata in elettricità. La differenza è che stai usando un carburante ricaricabile, quindi, in linea di principio, quella "batteria" sarebbe durata per sempre, " ha detto Adrian Hunt, uno scienziato presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) presso il Brookhaven National Laboratory del DOE. "Trovare un catalizzatore economico ed efficace per le celle a combustibile a idrogeno è fondamentalmente il Santo Graal per rendere questa tecnologia più fattibile".

Prendendo parte a questa ricerca mondiale di materiali catodici per celle a combustibile, i ricercatori dell'Università di Akron hanno sviluppato un nuovo metodo per sintetizzare i catalizzatori da una combinazione di metalli, platino e nichel, che formano nanoparticelle di forma ottaedrica (otto lati). Sebbene gli scienziati abbiano identificato questo catalizzatore come uno dei sostituti più efficienti del platino puro, non hanno compreso appieno il motivo per cui cresce in una forma ottaedrica. Per comprendere meglio il processo di crescita, i ricercatori dell'Università di Akron hanno collaborato con più istituzioni, compreso Brookhaven e il suo NSLS-II.

"Capire come si forma il catalizzatore sfaccettato gioca un ruolo chiave nello stabilire la sua correlazione struttura-proprietà e nel progettare un catalizzatore migliore, " disse Zhenmeng Peng, ricercatore principale del laboratorio di catalisi presso l'Università di Akron. "Il caso del processo di crescita per il sistema platino-nichel è piuttosto sofisticato, quindi abbiamo collaborato con diversi gruppi esperti per affrontare le sfide. Le tecniche all'avanguardia del Brookhaven National Lab sono state di grande aiuto per studiare questo argomento di ricerca".

Utilizzando i raggi X ultraluminosi a NSLS-II e le capacità avanzate della linea di luce In situ e Operando Soft X-ray Spectroscopy (IOS) di NSLS-II, i ricercatori hanno rivelato la caratterizzazione chimica del percorso di crescita del catalizzatore in tempo reale. I loro risultati sono pubblicati in Comunicazioni sulla natura .

"Abbiamo utilizzato una tecnica di ricerca chiamata spettroscopia fotoelettronica a raggi X a pressione ambiente (AP-XPS) per studiare la composizione superficiale e lo stato chimico dei metalli nelle nanoparticelle durante la reazione di crescita, " disse Iradwikanari Waluyo, scienziato capo presso IOS e co-autore corrispondente del documento di ricerca. "In questa tecnica, dirigiamo i raggi X su un campione, che provoca il rilascio di elettroni. Analizzando l'energia di questi elettroni, siamo in grado di distinguere gli elementi chimici nel campione, così come i loro stati chimici e di ossidazione."

Caccia, che è anche autore sulla carta, aggiunto, "È simile al modo in cui la luce del sole interagisce con i nostri vestiti. La luce del sole è più o meno gialla, ma una volta che colpisce la maglietta di una persona, puoi dire se la maglietta è blu, rosso, o verde."

Più che i colori, gli scienziati stavano identificando le informazioni chimiche sulla superficie del catalizzatore e confrontandole con il suo interno. Hanno scoperto che, durante la reazione di crescita, il platino metallico si forma per primo e diventa il nucleo delle nanoparticelle. Quindi, quando la reazione raggiunge una temperatura leggermente superiore, il platino aiuta a formare il nichel metallico, che successivamente si segrega sulla superficie della nanoparticella. Nelle fasi finali della crescita, la superficie diventa all'incirca una miscela uguale dei due metalli. Questo interessante effetto sinergico tra platino e nichel gioca un ruolo significativo nello sviluppo della forma ottaedrica della nanoparticella, così come la sua reattività.

"La cosa bella di questi risultati è che il nichel è un materiale economico, considerando che il platino è costoso, " disse Hunt. "Allora, se il nichel sulla superficie della nanoparticella catalizza la reazione, e queste nanoparticelle sono ancora più attive del platino da solo, allora si spera, con più ricerche, possiamo calcolare la quantità minima di platino da aggiungere e ottenere comunque l'elevata attività, creando un catalizzatore più conveniente".

I risultati dipendevano dalle capacità avanzate di IOS, dove i ricercatori sono stati in grado di eseguire gli esperimenti a pressioni del gas superiori a quelle normalmente possibili negli esperimenti XPS convenzionali.

"In IOS, siamo stati in grado di seguire i cambiamenti nella composizione e nello stato chimico delle nanoparticelle in tempo reale durante le reali condizioni di crescita, " disse Waluyo.

Ulteriori studi di imaging a raggi X ed elettroni completati presso l'Advanced Photon Source (APS) presso l'Argonne National Laboratory del DOE, un'altra struttura per l'utente dell'Office of Science del DOE, e l'Università della California-Irvine, rispettivamente, ha completato il lavoro presso NSLS-II.

"Questo lavoro fondamentale mette in evidenza il ruolo significativo del nichel segregato nella formazione del catalizzatore di forma ottaedrica. Abbiamo ottenuto maggiori informazioni sul controllo della forma delle nanoparticelle del catalizzatore, Peng ha detto. "Il nostro prossimo passo è studiare le proprietà catalitiche delle nanoparticelle sfaccettate per capire la correlazione struttura-proprietà".