Le nanoparticelle di metalli non preziosi potrebbero un giorno sostituire i costosi catalizzatori per la produzione di idrogeno. Però, è spesso difficile determinare quali velocità di reazione possono raggiungere, soprattutto quando si tratta di particelle di ossido. Questo perché le particelle devono essere attaccate all'elettrodo utilizzando un legante e additivi conduttivi, che distorcono i risultati. Con l'ausilio di analisi elettrochimiche di singole particelle, i ricercatori sono ora riusciti a determinare l'attività e la conversione della sostanza dei nanocatalizzatori a base di ossido di ferro cobalto, senza leganti. Il team guidato dalla professoressa Kristina Tschulik della Ruhr-Universität Bochum riferisce insieme ai colleghi dell'Università di Duisburg-Essen e di Dresda nel Giornale della Società Chimica Americana , pubblicato online il 30 maggio 2019.

"Lo sviluppo di catalizzatori di metalli non preziosi gioca un ruolo decisivo nella realizzazione della transizione energetica poiché solo essi sono economici e disponibili in quantità sufficienti per produrre le quantità richieste di combustibili rinnovabili, "dice Kristina Tschulik, un membro del Cluster of Excellence Ruhr Explores Solvation (Resolv). Idrogeno, una fonte di energia promettente, può quindi essere acquisito scindendo l'acqua in idrogeno e ossigeno. Il fattore limitante qui è stata finora la reazione parziale in cui viene prodotto l'ossigeno.

Migliori dei tassi di reazione attualmente raggiunti nell'industria

In questo lavoro i ricercatori hanno studiato l'efficienza con cui le particelle di ossido di ferro di cobalto sono in grado di catalizzare la generazione di ossigeno. Hanno analizzato molte singole particelle una dopo l'altra. I chimici hanno permesso a una particella di catalizzare la generazione di ossigeno sulla superficie dell'elettrodo e hanno misurato il flusso di corrente da questo, che fornisce informazioni sulla velocità di reazione. "Abbiamo misurato densità di corrente di diversi kiloampere per metro quadrato, " dice Tschulik. "Questo è al di sopra dei tassi di reazione attualmente possibili nell'industria".

La squadra ha dimostrato che, per particelle inferiori a dieci nanometri, il flusso di corrente dipende dalla dimensione delle particelle:più piccola è la particella di catalizzatore, minore è la corrente. La corrente è inoltre limitata dall'ossigeno che si produce nella reazione e che si diffonde lontano dalla superficie della particella.

Estremamente stabile nonostante lo stress elevato

Dopo gli esperimenti di catalisi, i chimici hanno osservato le particelle di catalizzatore al microscopio elettronico a trasmissione. "Nonostante gli alti tassi di reazione, cioè sebbene le particelle avessero creato così tanto ossigeno, sono cambiati poco, " dice Tschulik. "La stabilità in condizioni estreme è eccezionale."

L'approccio di analisi utilizzato nel lavoro attuale può essere trasferito anche ad altri elettrocatalizzatori. "È essenziale saperne di più sulle attività dei nanocatalizzatori per poter sviluppare ulteriormente in modo efficiente catalizzatori di metalli non preziosi per le tecnologie delle energie rinnovabili di domani, " dice il chimico di Bochum. Per analizzare l'effetto della dimensione delle particelle sull'attività catalitica, è importante sintetizzare nanoparticelle di dimensione definita. Come parte dell'Università Alliance Ruhr, il team di Bochum collabora strettamente con i ricercatori dell'Università di Duisburg-Essen guidati dal professor Stephan Schulz, che producono le particelle di catalizzatore.