Jay Winkler e il suo team stanno distruggendo i metalli per creare nuovi catalizzatori a combustibile solare. Credito:California Institute of Technology
Nella ricerca di alternative ai combustibili a base di petrolio, uno dei più promettenti, e impegnativo, strategie comporta la scissione dell'acqua. Per decenni i ricercatori hanno fatto passi da gigante nell'uso della luce solare per dividere le molecole d'acqua in ossigeno e idrogeno, in cui il gas idrogeno risultante può essere utilizzato come combustibile immagazzinato. Ma il metodo è ancora troppo costoso. I materiali chiamati catalizzatori sono necessari per eseguire la reazione, e il catalizzatore che funziona meglio, platino, è raro e costoso. È iniziata la caccia ai buoni catalizzatori fatti di terra abbondante, materiali poco costosi.
"La gente parlava di dividere l'acqua quando ero uno studente laureato, durante la crisi energetica della fine degli anni '70. Infatti, puoi trovare articoli in letteratura in cui le persone ne parlano fin dalla prima parte del 20 ° secolo, " dice Jay Winkler (Ph.D. '84), socio di facoltà e docente di chimica al Caltech e membro del Beckman Institute. "Il platino funziona molto bene come catalizzatore, ma non è un materiale pratico per la generazione di energia su larga scala perché non ce n'è abbastanza. Alcuni altri materiali gestiscono bene la reazione, ma sono anche molto rari".
Winkler e i suoi colleghi, guidato da Harry Gray, l'Arnold O. Beckman Professore di Chimica ed ex consigliere laureato di Winkler, sono stati impegnati nello sviluppo di nuovi tipi di catalizzatori basati su materiali ecocompatibili come ferro e nichel. Il loro obiettivo non è solo trovare nuovi catalizzatori realizzati con materiali abbondanti sulla Terra, ma anche per trovare modi per far sì che quei catalizzatori guidino la reazione di scissione dell'acqua nel modo più efficiente possibile. Ciò ridurrebbe il costo complessivo della reazione abbastanza da competere con risorse naturali come il petrolio. Questa ricerca è associata al Center for Chemical Innovation in Solar Fuels (CCI Solar), un centro della National Science Foundation con sede al Caltech.
L'obiettivo di Winkler è lo zapping dei metalli con i laser. Circa cinque anni fa, lui e Astrid Müller, poi scienziato dello staff del Caltech e ora professore all'Università di Rochester, messo a punto una tecnica in cui un laser pulsato ad alta energia è focalizzato su un metallo in un liquido (come il ferro nell'acqua), generando una temperatura e una pressione molto elevate. Il processo crea una bolla che collassa e si espande nuovamente alcune volte in millisecondi, rilascio di nanoparticelle a base di ferro, quali sono i candidati per catalizzare la reazione di scissione dell'acqua.
"Le reazioni laser creano un lampo di luce brillante e un forte scoppio, " dice Winkler. "Abbiamo dovuto installare una scatola insonorizzata intorno perché si sentiva nel corridoio."
Un metodo basato sul laser per generare nuovi catalizzatori a combustibile solare è mostrato in questo video di radiografia a raggi X, che è stato rallentato. Le immagini vengono registrate utilizzando un fascio di raggi X a banda larga orientato parallelamente al bersaglio e rilevate utilizzando una telecamera a raggi X ad alta velocità. Dopo che un impulso laser di 10 nanosecondi colpisce un bersaglio di metallo argentato, si vede una bolla espandersi, contraendosi e poi espandendosi di nuovo. Le nanoparticelle solide che costituiscono i potenziali catalizzatori del combustibile solare fuoriescono alla fine. Credito:Istituto di tecnologia di Karlsruhe, Anton Plech (Fonte:Ibrahimkutty et al. Sci. Rep. 2015)
La scissione dell'acqua è, generalmente, una reazione un po' semplice. L'idea è di utilizzare l'energia della luce solare per dividere due molecole d'acqua (2H 2 O) in ossigeno (O 2 ) e idrogeno (2H 2 ) molecole. L'ossigeno può essere rilasciato nell'atmosfera e l'idrogeno immagazzinato come combustibile. Eseguendo la reazione all'indietro, con l'aiuto di una cella a combustibile, genera elettricità.
"Eseguire questa reazione richiede energia, e poi immagazziniamo quell'energia. Vogliamo trovare catalizzatori che rendano l'ossigeno più veloce e con meno energia extra possibile".
Winker e il suo team si stanno concentrando sulla prima metà della reazione che spacca l'acqua; creando l'ossigeno. Nei loro esperimenti, come sostituto della luce del sole, usano un elettrodo alimentato dall'elettricità. Una volta realizzati i loro potenziali catalizzatori utilizzando la tecnica laser, rivestono l'elettrodo con i catalizzatori ed eseguono la reazione, per vedere quanto velocemente viene generato l'ossigeno.
Finora, i ricercatori hanno alcuni buoni candidati, come un tipo di materiale nanoparticellare a base di ferro noto come nanofoglio di idrossido a doppio strato di ferro nichelato. Il team ha cercato di capire esattamente perché questo catalizzatore funziona bene. In una serie di esperimenti, hanno sviluppato un metodo elettrochimico per intrappolare e caratterizzare gli stati molecolari generati durante la reazione al fine di scoprire quali sono fondamentali per la sua efficienza. Hanno scoperto che un sito di ferro altamente ossidato sul bordo di un nanofoglio era un elemento essenziale nella catalisi. Questo lavoro, che è stato guidato da Bryan Hunter dell'Università di Harvard mentre era uno studente laureato al Caltech nel Gray Lab (Ph.D. '17), aiuterà altri ricercatori a modificare il catalizzatore e a renderlo ancora migliore.
Nel futuro, il team continuerà a esplorare nuovi catalizzatori per produrre combustibile a idrogeno. Per esempio, stanno sperimentando liquidi diversi dall'acqua da utilizzare nelle loro prove di zapping laser.
"I combustibili a idrogeno non sono molto utilizzati ora, " dice Winkler. "Ma penso che arriveremo a un punto in cui potremo produrre questi combustibili in modo più efficiente e poi diventeranno più competitivi dal punto di vista economico".
