I sistemi energetici elettrochimici, processi mediante i quali l'energia elettrica viene convertita in energia chimica, sono al centro della creazione e dello stoccaggio più efficienti di energia intermittente da fonti rinnovabili in celle a combustibile e batterie.

Le sostanze potenti note come catalizzatori, utilizzati per accelerare le reazioni chimiche, sono attori chiave in questi sistemi. Le dimensioni e l'efficienza delle celle a combustibile, Per esempio, potrebbero trarre grandi vantaggi dall'uso di catalizzatori ad alte prestazioni.

Produrre catalizzatori migliori è più facile a dirsi che a farsi, però. L'utilità di un catalizzatore si basa in parte sulla quantità e sulla qualità dei suoi siti attivi, a causa della geometria specifica dei siti e delle proprietà elettroniche. L'ingegneria di questi siti può essere ardua, processo inefficiente.

Ora, i ricercatori dell'Università del Delaware hanno rivoluzionato il modo in cui gli scienziati possono progettare strutture di catalizzatori. Il loro lavoro, presenti nell'ultimo numero della principale rivista scientifica Chimica della natura , ha stabilito un nuovo approccio per la gestione di sostanze chimiche altamente sensibili alla struttura per ottenere la massima attività possibile tenendo conto della stabilità del catalizzatore.

"L'ottimizzazione dei catalizzatori a livello atomico è un problema di vecchia data, poiché i centri attivi sono tipicamente sconosciuti, e come metterli insieme al meglio per eseguire la chimica è rimasto sfuggente, " disse Dion Vlachos, Allan e Myra Ferguson Cattedra di ingegneria chimica presso UD e co-autrice del documento. "Mentre progettiamo materiali per migliorare le prestazioni, la stabilità dei materiali è critica. Il nostro metodo è il primo ad affrontare sia l'ingegneria del cristallo con precisione atomica che la stabilità del materiale".

Secondo i ricercatori, ciò che contraddistingue il loro metodo è lo snellimento della sintesi materica, utilizzando i computer per creare variazioni microscopiche, o nanodifetti, sulla superficie di un catalizzatore.

"Nel passato, i ricercatori hanno modellato diversi siti attivi uno alla volta, che richiede molto tempo, " dice il co-autore Marcel Nunez, che ha conseguito il dottorato in ingegneria chimica e biomolecolare presso UD e ora lavora come ingegnere progettista presso Intel. "Il nostro approccio è automatizzato. È davvero il primo del suo genere, contribuendo a rendere i catalizzatori più facili da sintetizzare e più stabili durante le reazioni chimiche."

Josh Lansford, un dottorando nel laboratorio Vlachos e anche un coautore del documento, ha sottolineato che, mentre i calcoli iniziano su piccola scala:quantistica, in questo caso, i risultati sono tutt'altro.

"Si tratta di ristrutturare la superficie del catalizzatore per diminuire l'energia necessaria per far funzionare la reazione, " ha detto. "Più il sito è attivo, maggiore è la corrente elettrica, che porta a una reazione più rapida e a una cella a combustibile più potente."

I ricercatori hanno dimostrato l'efficacia della loro nuova metodologia utilizzando un processo chiamato reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR), che viene spesso utilizzato per generare energia nelle celle a combustibile per il trasporto. Poiché l'ossigeno è abbondante nell'atmosfera terrestre, ORR è un metodo ideale per produrre generatori portatili che non emettono anidride carbonica (CO2).

Mentre le celle a combustibile devono ancora essere economicamente sostenibili su larga scala, gli autori hanno detto che sperano che la loro svolta possa aiutare a cambiarlo, aprendo nuove strade per una produzione di energia più pulita ed economica.

"La visione a lungo termine della nostra metodologia è che verrà utilizzata per progettare la struttura del catalizzatore desiderata sui computer, " Ha detto Nunez. "Il catalizzatore verrebbe quindi sintetizzato e caratterizzato in laboratorio e utilizzato nelle celle a combustibile, con prestazioni superiori all'attuale standard industriale. Il nostro approccio ci porta verso la fattibilità economica di veicoli a celle a combustibile pulite".