L'elettricità può essere generata da fonti rinnovabili come la luce solare e il vento, poi usato per dividere l'acqua, che rende l'idrogeno un combustibile per dispositivi energetici emergenti come le celle a combustibile. Poiché l'idrogeno è un combustibile pulito, i ricercatori si stanno impegnando molto nello sviluppo di catalizzatori per la scissione dell'acqua, essenziali per l'efficienza energetica della reazione.

L'attenzione si concentra principalmente sulla cosiddetta reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER), che è probabilmente il processo più impegnativo nella scissione dell'acqua. Dopo molti anni di intense ricerche, l'ossido di nichel-ferro è ora affermato come il catalizzatore di riferimento per OER in condizioni alcaline grazie alla sua elevata attività e composizione ricca di terra, e anche perché ha la più alta attività per sito di reazione tra tutti gli ossidi metallici.

Circa tre anni fa, gli scienziati con il laboratorio di Xile Hu all'EPFL hanno scoperto un altro catalizzatore che era significativamente più attivo dell'ossido di nichel-ferro, anche se aveva una composizione simile. è robusto, facile da sintetizzare, e aperto alle applicazioni industriali.

La scoperta è stata guidata da Fang Song, un postdoc nel gruppo di Hu che da allora si è unito alla facoltà dell'Università Jiaotong di Shanghai in Cina. Riconoscendo il suo potenziale tecnologico, Hu, Canzone, e la loro collega Elitsa Petkucheva hanno iniziato a testare il catalizzatore in un progetto di prova del concetto. Il catalizzatore ha reso possibile un elettrolizzatore efficiente in grado di funzionare in condizioni industriali richiedendo 200 mV in meno di tensione.

Ma il nuovo catalizzatore era anche non convenzionale in termini di chimica. "Non avevamo idea del perché il catalizzatore fosse così attivo, " dice Hu. Così il suo team si è rivolto al gruppo di Clemence Corminboeuf all'EPFL per chiedere aiuto. Lavorando con il suo postdoc, Michael Busch, Corminboeuf ha utilizzato i calcoli della teoria del funzionale della densità (DFT) per cercare possibili spiegazioni teoriche. DFT è un sistema computazionale, metodo quantomeccanico che modella e studia la struttura dei sistemi a molti corpi, per esempio. atomi, e molecole.

Il risultato è stato radicale:l'elevata attività del nuovo catalizzatore deriva da un'azione cooperativa di due componenti separati in fase di ossidi di ferro e nichel, che ha superato una limitazione precedentemente identificata degli ossidi metallici convenzionali in cui la reazione si è verificata localmente su un solo sito metallico. Lo chiamavano il meccanismo bifunzionale.

Mentre il meccanismo derivato dalla DFT era ipotetico, ha guidato studi sperimentali sull'attività e le proprietà del catalizzatore con Benedikt Lassalle-Kaiser presso Synchrotron SOLEIL in Francia. Utilizzando la spettroscopia di assorbimento dei raggi X (XAS), il lavoro ha scoperto la presenza di due ossidi di ferro e nichel separati in fase nel catalizzatore. Ma poiché i catalizzatori possono subire cambiamenti compositivi e strutturali durante la catalisi, si è reso necessario studiare il catalizzatore in funzione con XAS.

In uno studio completo sull'operando XAS, Chen e il suo studente laureato, Chia Shuo Hsu, ha rivelato una struttura unica del catalizzatore:è costituito da nanocluster di γ-FeOOH legati in modo covalente a un supporto γ-NiOOH, che lo rende un catalizzatore di ossido di ferro-nichel, rispetto al convenzionale ossido di nichel-ferro. Pur non essendo una prova diretta, questa struttura è compatibile con il meccanismo bifunzionale proposto da DFT.

"Si tratta di uno studio veramente interdisciplinare che coinvolge molte fruttuose collaborazioni, " dice Hu. "Gli studi fondamentali non solo forniscono approfondimenti sulla struttura e sull'attività di questo catalizzatore non convenzionale, ma anche portare a un'ipotesi meccanicistica stimolante."