L'ossigeno minaccia i catalizzatori sostenibili che utilizzano l'idrogeno per produrre elettricità nelle celle a combustibile. I ricercatori di Bochum e Marsiglia hanno sviluppato un modo per combatterlo.

Catalizzatori efficienti per convertire l'idrogeno in elettricità nelle celle a combustibile per la transizione energetica sono spesso basati su costosi, metalli rari come il platino. L'uso di metalli più economici e componenti biologici che funzionano in modo altrettanto efficiente ha finora ridotto la durata dei catalizzatori in quanto sono sensibili all'ossigeno. Un team di ricerca di Bochum e Marsiglia è riuscito a integrare un tale catalizzatore all'interno di un film protettivo estremamente sottile di blocchi molecolari che lo protegge dall'ossigeno e rende così la sua durata praticamente infinita, pur mantenendo la sua capacità di lavorare in modo efficiente. Il team riporta in Giornale della Società Chimica Americana il 16 settembre 2019.

I ricercatori guidati dal professor Nicolas Plumeré del cluster di eccellenza Ruhr Explores Solvation (Resolv) presso la Ruhr-Universität Bochum (RUB) hanno lavorato a questo studio insieme al dott. Vincent Fourmond e al dott. Christophe Léger del Centre national de la recherche scientifique Marsiglia .

Gli strati spessi non vanno bene in pratica

I team stanno lavorando da tempo per far durare più a lungo i biocatalizzatori efficienti contenenti idrogenasi sensibili all'ossigeno. "Circa cinque anni fa abbiamo sviluppato un meccanismo di autodifesa basato su un film polimerico conduttivo, " spiega Nicolas Plumeré. Gli elettroni prodotti durante l'ossidazione dell'idrogeno vengono trasportati attraverso il film e reagiscono con l'ossigeno, che viene così rimosso prima che possa raggiungere l'interno del catalizzatore, dove si trovano gli enzimi sensibili all'ossigeno. "Però, non è stato possibile utilizzare in pratica i catalizzatori, " dice il ricercatore. "A oltre 100 micrometri, le pellicole polimeriche erano così spesse da ostacolare l'efficienza."

Nel lavoro attuale, i ricercatori mostrano che, anche in un film polimerico molto più sottile, le idrogenasi sono al sicuro dall'ossigeno. "Sorprendentemente, questi film, che hanno uno spessore di pochi micrometri, sono ancora più robusti di quelli più spessi, " afferma Nicolas Plumeré. Il 50 percento del catalizzatore ora contribuisce alla catalisi:la cifra era solo dello 0,3 percento per i film protettivi più spessi.

Strato protettivo definito formato da minuscole sfere molecolari

Gli elementi costitutivi che compongono il film protettivo sono al centro del nuovo sviluppo. Per questo, i ricercatori utilizzano minuscole sfere con un diametro di soli cinque nanometri, che hanno tutti una struttura identica, noti come dendrimeri. Ciò ha permesso loro di controllare con precisione lo spessore dello strato risultante.

I dendrimeri possono trasportare gli elettroni in modo più efficiente rispetto ai polimeri utilizzati in precedenza. "Questa maggiore conduttività significa che gli elettroni si muovono più rapidamente attraverso il film e sono in grado di fermare l'ossigeno a una distanza maggiore dal catalizzatore, " spiega Plumeré.

22, 000 anni di catalisi efficiente

I ricercatori sono rimasti sorpresi nell'osservare che lo spessore della pellicola protettiva ha un effetto significativo sulla durata del catalizzatore:in una pellicola spessa tre micrometri, un catalizzatore sopravvive in presenza di ossigeno solo per una decina di minuti. Se il film ha uno spessore di sei micrometri, la vita utile può essere estesa fino a un anno alle stesse condizioni. "Ulteriori due micrometri di spessore allungano teoricamente la vita del catalizzatore a 22, 000 anni, "dicono i ricercatori, stupito.

L'assistenza di vicinato allunga la vita

Il team è rimasto ugualmente sorpreso dal fatto che la pellicola protettiva non solo tenga lontane le molecole di ossigeno dannose, ma è anche in grado di riattivare un catalizzatore non più funzionale fornendogli elettroni da un catalizzatore attivo vicino. "In altre parole:i catalizzatori in questo film protettivo non solo proteggono se stessi, ma anche l'un l'altro, " riassume Plumeré. Questa proprietà consente anche ai catalizzatori di avere una vita infinita in strati protettivi di soli tre micrometri di spessore.

"Questa estrema longevità ci avvicina di un altro passo all'utilizzo di tali biocatalizzatori sensibili all'ossigeno nelle celle a combustibile, ", afferma il gruppo di ricerca.