La figura sopra mostra la struttura teoricamente prevista di Fe 3 Co(PO 4 ) 4 @rGO. Il ferro (Fe) è indicato in giallo, cobalto (Co) in blu, acido fosforico (P) in viola, ossigeno (O) in rosso, e idrogeno (H) in bianco. Credito:UNIST
Uno studio recente, affiliato con l'Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) della Corea del Sud ha segnalato un elettrocatalizzatore a base di fosfato di Fe 3 Co(PO 4 ) 4 /ossido di grafene ridotto (rGO) (1) per OER, che si prevede sia altamente attivo dalla teoria del funzionale della densità (DFT).
C'è stato molto interesse per "l'idrogeno che rompe le molecole d'acqua per generare elettricità" come energia ecologica per sostituire i combustibili fossili. Allo stesso tempo, è importante aumentare l'efficienza della reazione di decomposizione dell'acqua per utilizzare meno elettricità, e catalizzatori economici ad alte prestazioni sono stati sviluppati per aiutare le importanti reazioni che generano ossigeno.
Un gruppo di ricerca, guidato dal Distinguished Professor Kwang S. Kim nella School of Natural Sciences dell'UNIST ha segnalato un elettrocatalizzatore a base di fosfato di Fe 3 Co(PO 4 ) 4 /ossido di grafene ridotto (rGO) (1) per OER, che si prevede sia altamente attivo dalla teoria del funzionale della densità (DFT). Il nuovo catalizzatore è accattivante, con un miglioramento delle prestazioni del 25% rispetto ai costosi catalizzatori disponibili in commercio.
Nella reazione di decomposizione dell'acqua, Le reazioni che producono idrogeno e ossigeno avvengono simultaneamente. Però, la reazione di generazione di ossigeno dei due è relativamente lenta per abbassare l'efficienza della reazione di decomposizione complessiva dell'acqua. Per superare questo problema, l'ossido di iridio (IrO₂) e l'ossido di rutenio (RuO₂) sono usati come catalizzatori per le reazioni di generazione di ossigeno per aumentare la velocità di reazione, ma sono meno stabili delle prestazioni eccellenti. Inoltre, metalli nobili costosi come l'iridio e il rutenio hanno la limitazione che i componenti principali.
Il team ha sviluppato un nuovo catalizzatore per la generazione di ossigeno che utilizza materiali poco costosi ed è altamente efficiente e stabile. Sultan è un materiale in cui il ferro (Fe), il cobalto (Co) e l'acido fosforico (P) sono posti su un supporto di ossido di grafene progettato da un ricercatore di chimica dell'UNIST. Secondo la direzione della ricerca, Hamilano, un ricercatore di chimica dell'UNIST, utilizzò un supercomputer per calcolare materiali di varia composizione che il ferro e il cobalto potevano combinare con l'acido fosforico.
Nel caso di un elettrocatalizzatore a base di fosfato, la reazione di evoluzione dell'ossigeno avviene su atomi di ferro e cobalto. La distribuzione degli elettroni e dei legami chimici attorno a questi atomi determina l'efficienza della reazione di evoluzione dell'ossigeno. Per i catalizzatori di nuova concezione, l'acido fosforico aggiunto è stato calcolato per ottimizzare questa frazione. Il team ha sintetizzato questi materiali teoricamente previsti e li ha dimostrati sperimentalmente.
Il nuovo catalizzatore è più efficiente di oltre il 25% rispetto ai catalizzatori commerciali all'ossido di iridio. L'efficienza catalitica è valutata come "sovratensione, " la quantità di energia elettrica aggiuntiva che entra nella reazione. L'ossido di iridio richiede 303 millivolt (mV) quando si ottiene una densità di corrente di 100 milliampere (mA) per 1 cm 2 di catalizzatore, ma solo 237 mV per il nuovo catalizzatore. Questo valore è vicino al valore teoricamente previsto.
Il materiale di nuova sintesi ha un'eccellente stabilità e prestazioni. Dopo più di 5000 reazioni non sono cambiate in modo significativo strutturalmente, e anche dopo la reazione per 70 ore non ha degradato la reattività. Inoltre, il supporto di ossido di grafene costituente il catalizzatore compensato per la bassa conducibilità elettrica di ferro/cobalto e acido fosforico, che ha mostrato una migliore reattività.
"Attraverso questo studio, abbiamo sviluppato un catalizzatore che produce molto più ossigeno di un costoso catalizzatore commerciale ed è centinaia di volte più economico, ", afferma il distinto professor Kim. "Sarà utile per lo sviluppo di catalizzatori per vari materiali energetici ecologici come le celle a combustibile".
I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati nel numero di novembre 2019 di Comunicazioni sulla natura .
