Un nuovo catalizzatore a base di rutenio sviluppato presso la UC Santa Cruz ha mostrato prestazioni nettamente migliori rispetto ai catalizzatori al platino commerciali nell'elettrolisi dell'acqua alcalina per la produzione di idrogeno. Il catalizzatore è un materiale composito nanostrutturato composto da nanofili di carbonio con atomi di rutenio legati ad azoto e carbonio per formare siti attivi all'interno della matrice di carbonio.

La scissione elettrochimica dell'acqua per produrre idrogeno è un passaggio cruciale nello sviluppo dell'idrogeno come sostanza pulita, combustibile ecologico. Gran parte dello sforzo per ridurre i costi e aumentare l'efficienza di questo processo si è concentrato sulla ricerca di alternative ai costosi catalizzatori a base di platino.

All'UC Santa Cruz, ricercatori guidati da Shaowei Chen, professore di chimica e biochimica, hanno studiato catalizzatori realizzati incorporando rutenio e azoto in materiali nanocompositi a base di carbonio. Le loro nuove scoperte, pubblicato il 7 febbraio in Comunicazioni sulla natura , non solo dimostrano le prestazioni impressionanti del loro catalizzatore a base di rutenio, ma forniscono anche approfondimenti sui meccanismi coinvolti, che può portare a ulteriori miglioramenti.

"Questa è una chiara dimostrazione che il rutenio può avere una notevole attività nel catalizzare la produzione di idrogeno dall'acqua, " Ha detto Chen. "Abbiamo anche caratterizzato il materiale su scala atomica, che ci ha aiutato a capire i meccanismi, e possiamo usare questi risultati per la progettazione razionale e l'ingegneria di catalizzatori a base di rutenio".

La microscopia elettronica e l'analisi di mappatura elementare del materiale hanno mostrato nanoparticelle di rutenio e singoli atomi di rutenio all'interno della matrice di carbonio. Sorprendentemente, i ricercatori hanno scoperto che i principali siti di attività catalitica erano singoli atomi di rutenio piuttosto che nanoparticelle di rutenio.

"È stata una svolta, perché molti studi hanno attribuito l'attività catalitica alle nanoparticelle di rutenio. Abbiamo scoperto che i singoli atomi sono i siti attivi dominanti, sebbene sia le nanoparticelle che i singoli atomi contribuiscano all'attività, " ha detto il primo autore Bingzhang Lu, uno studente laureato nel laboratorio di Chen alla UC Santa Cruz.

Lu ha lavorato con il coautore Yuan Ping, professore assistente di chimica e biochimica, fare calcoli teorici che mostrino perché i singoli atomi di rutenio sono centri catalitici più attivi delle nanoparticelle di rutenio.

"Abbiamo fatto calcoli indipendenti dai primi principi per mostrare come il rutenio forma legami con carbonio e azoto in questo materiale e come questo abbassa la barriera di reazione per dare una migliore attività catalitica, " disse Ping.

Chen ha detto di aver depositato una domanda di brevetto per la preparazione sperimentale di catalizzatori a base di rutenio. Ha notato che, oltre alle potenziali applicazioni per la produzione di idrogeno come parte di sistemi energetici sostenibili, l'elettrolisi dell'acqua alcalina è già ampiamente utilizzata nell'industria chimica, così come un processo correlato chiamato elettrolisi cloro-alcali per il quale potrebbe essere utilizzato anche il catalizzatore di rutenio. Quindi esiste già un grande mercato per i prodotti più economici, catalizzatori più efficienti.

L'elettrolisi dell'acqua per produrre idrogeno può essere effettuata sia in condizioni acide che alcaline, e ogni metodo ha vantaggi e svantaggi. I catalizzatori al platino sono molto più efficaci nei mezzi acidi che nei mezzi alcalini. I catalizzatori a base di rutenio si comportano quasi come il platino in mezzi acidi, mentre supera il platino in mezzi alcalini, disse Chen.

Nel lavoro futuro, i ricercatori cercheranno di massimizzare il numero di siti attivi nel materiale. Possono anche studiare l'uso di altri metalli nella stessa piattaforma nanocomposita, Egli ha detto.