I ricercatori della Northwestern University hanno sviluppato un metodo più efficiente e stabile per condurre reazioni elettrocatalitiche.

La tecnica, che fluidifica le particelle di catalizzatore nell'elettrolita invece di incollarle agli elettrodi, evita un rapido calo delle prestazioni di reazione, un fenomeno che i ricercatori chiamano affaticamento. L'approccio potrebbe migliorare i processi di produzione per l'elettrolisi e la conversione e lo stoccaggio di energia elettrochimica.

"C'è stato un grande sforzo per trovare nuovi catalizzatori ad alte prestazioni che possano anche resistere meglio alle reazioni elettrochimiche, " disse Jiaxing Huang, professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la McCormick School of Engineering, che ha condotto la ricerca. "Abbiamo sviluppato un approccio drasticamente diverso per rendere l'elettrocatalisi meno incline al decadimento, non trovando un altro nuovo materiale, ma facendo la reazione in modo diverso."

Lo studio, intitolato "Elettrocatalisi fluidizzata, " è stato pubblicato il 10 febbraio sulla rivista Chimica CCS ed è apparso sulla copertina del numero di febbraio.

In un tipico ambiente di elettrocatalisi, una volta che i materiali catalitici sono incollati sull'elettrodo, sono imbevuti di elettrolita e subiscono una reazione stimolata da una tensione. Poiché la tensione viene applicata continuamente attraverso l'elettrodo, i materiali subiscono continue sollecitazioni elettrochimiche. Col tempo, le loro prestazioni catalitiche possono decadere a causa di danni strutturali accumulati nell'elettrodo nel suo insieme, o su singole particelle.

L'approccio del team evita lo stress continuo fluidificando le particelle nell'elettrolita. Ora le particelle lavorano in rotazione, subendo stress elettrochimico solo momentaneamente quando si scontra con l'elettrodo. Collettivamente, l'uscita dai singoli eventi di collisione si fonde in una corrente elettrochimica continua e stabile.

"L'elettrocatalisi fluidizzata rompe il continuum spaziale e temporale delle reazioni elettrochimiche, rendendo i catalizzatori più efficienti." Huang ha detto. "La fluidificazione riduce anche il limite di trasporto di massa dei reagenti al catalizzatore, poiché le particelle nuotano nell'elettrolita."

Huang ha testato le sue idee usando un noto, catalizzatore disponibile in commercio chiamato Pt/C, che è fatto di polveri di nerofumo decorate da nanoparticelle di platino per catalizzare l'evoluzione dell'ossigeno, evoluzione dell'idrogeno, e reazioni di ossidazione del metanolo. Queste tre reazioni elettrochimiche, quando catalizzato da Pt/C, normalmente soffrono di un grave decadimento delle prestazioni, ma tutti hanno mostrato maggiore efficienza e stabilità quando le particelle sono state fluidificate.

"La nuova strategia fa sì che un catalizzatore instabile fornisca prestazioni stabili per tutte e tre le reazioni del modello. È stata un'eccitante prova di concetto, " disse Yi-Ge Zhou, il primo autore del documento e un ex postdoc in visita nel gruppo di Huang. "Quando abbiamo calcolato l'efficienza di una singola particella per alcune di queste reazioni, era almeno tre ordini di grandezza superiore alle particelle fisse. Invece di stressarli, abbiamo dato alle particelle la possibilità di rilassarsi, e di conseguenza sono diventati molto più efficienti."

Sebbene sia necessario più lavoro per identificare i tipi di reazioni elettrochimiche che potrebbero massimizzare al meglio i benefici dell'elettrocatalisi fluidizzata, Huang crede che il suo metodo possa essere applicato a una varietà di diversi tipi di materiali e produrre in modo più efficiente, reazioni elettrocatalitiche più durature. Ciò potrebbe portare a migliori processi di sintesi elettrochimica, che svolgono un ruolo importante nella conversione dell'energia in prodotti chimici per lo stoccaggio di energia su larga scala.

"Spero che altri ricercatori considerino il nostro metodo per rivalutare i loro catalizzatori. Sarebbe emozionante vedere catalizzatori precedentemente ritenuti inutilizzabili diventare utilizzabili, "Ha detto Huang.