Per molti anni, gli scienziati hanno cercato un modo efficace ed efficiente per trasformare l'acqua in combustibili per l'accumulo di energia utilizzando l'elettricità solare ed eolica, probabilmente scindendo l'acqua in idrogeno e ossigeno. Per fare questo, hanno cercato catalizzatori per far accadere queste reazioni di scissione dell'acqua.

I ricercatori sanno da tempo che gli ossidi di molti metalli, compreso il familiare ossido di ferro chiamato ruggine, sono in grado di funzionare come catalizzatori per la scissione dell'acqua, in particolare quando gli atomi degli ossidi metallici sono organizzati in piccoli ammassi. Però, l'attività di questi cluster, o domini, possono variare enormemente a seconda delle loro strutture.

In un nuovo studio su un gruppo correlato di ossidi di cobalto, gli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno cercato di determinare il motivo per cui due catalizzatori simili con dimensioni del dominio leggermente diverse si sono comportati in modo diverso.

"Il nostro team di ricerca voleva davvero capire perché gli ossidi di cobalto che possono essere controllati per differire solo in termini di struttura del dominio hanno attività di scissione dell'acqua così diverse, " disse il chimico David Tiede, Distinguished Fellow nella divisione Scienze chimiche e ingegneria di Argonne. "Capire questo fornirebbe un modo per comprendere più in generale la catalisi che divide l'acqua per gli ossidi metallici".

Nello studio, Tiede e i suoi colleghi hanno utilizzato l'Advanced Photon Source (APS) di Argonne e il Center for Nanoscale Materials (CNM), insieme a Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) dello SLAC National Accelerator Laboratory, tutte le strutture per gli utenti del DOE Office of Science. Hanno combinato un'ampia gamma di diverse tecniche a raggi X e le capacità di microscopia elettronica di CNM per esaminare questi domini su scala atomica.

"La cosa eccitante di questa ricerca è che abbiamo adottato un approccio veramente multimodale che combina la potenza dei raggi X morbidi e duri, "ha detto Tiede.

Tiede e altri ricercatori hanno presentato un documento sullo studio nel Giornale della Società Chimica Americana , la scorsa estate.

"Le tecniche a raggi X risonanti sono uno strumento potente per fornire una vasta gamma di informazioni strutturali e elettroniche sui catalizzatori di ossido di metallo, soprattutto quando sono strutturalmente mal definiti, " ha aggiunto il fisico a raggi X di Argonne Jung Ho Kim, chi era tra quegli autori.

Il team di ricerca è stato in grado di dimostrare che le differenze nell'attività catalitica sono controllate dalla conduttività su scala atomica.

Quando i domini di ossido di cobalto si formano in presenza di borato, i ricercatori hanno visto che gli elettroni si muovevano in modo relativamente rapido e uniforme in tutto il materiale. Quando gli ossidi di cobalto si sono formati con il fosfato, però, le cariche elettriche non potevano migrare così facilmente.

Il motivo di questa differenza, Tiede ha spiegato, è che gli atomi di cobalto nel borato di cobalto possono condividere gli elettroni tra loro in quelli che gli scienziati chiamano orbitali ibridi. "Essenzialmente, puoi pensare agli orbitali ibridi nel borato di cobalto come se fossero come i social media di Internet, considerando che gli orbitali nel fosfato di cobalto sono come i telefoni fissi, " Tiede ha detto. "Le informazioni possono viaggiare più rapidamente attraverso connessioni di rete sempre attive".

La presenza degli orbitali ibridi nel borato di cobalto rende il materiale un miglior catalizzatore per la scissione dell'acqua rispetto al fosfato di cobalto, anche se quest'ultimo ha siti catalitici più attivi. "Poter trasferire le cariche ai siti attivi diventa il fattore chiave nel determinare l'efficienza del catalizzatore, "ha detto Tiede.

Nell'esaminare i due ossidi di cobalto, Tiede e il suo team hanno scoperto qualcos'altro di sorprendente. Tipicamente, il processo di scissione dell'acqua richiede fasi di rottura e creazione di legami che sono le parti più impegnative della catalisi, ma in questo caso, ottenere una carica sufficiente per i siti attivi si è rivelata la parte più difficile. "Ricevere gli addebiti per i siti abbastanza rapidamente è un parametro di progettazione chiave che dobbiamo imparare a controllare, "ha detto Tiede.

La combinazione della mobilità della carica con l'efficienza della scissione dell'acqua sarà essenziale per lo sviluppo di un catalizzatore in grado di trasformare efficacemente l'acqua in elettricità. "Puoi avere il miglior condizionatore d'aria del mondo, ma se il cablaggio di casa tua è terribile, non riuscirai a farlo funzionare correttamente, " ha aggiunto Tiede. "Il sito che divide l'acqua sta facendo molte cose complicate, ma se non riceve abbastanza corrente, non farà molto".

Il documento basato sullo studio, "Risoluzione dei fattori elettronici e strutturali alla base delle prestazioni di evoluzione dell'ossigeno nei catalizzatori amorfi di ossido di cobalto, " apparso nel numero del 20 luglio del Giornale della Società Chimica Americana .