Le celle a combustibile e gli elettrolizzatori ad acqua economici ed efficienti costituiranno la pietra angolare di un'economia basata sull'idrogeno, che è una delle alternative pulite e sostenibili più promettenti ai combustibili fossili. Questi dispositivi si basano su materiali chiamati elettrocatalizzatori per funzionare, quindi lo sviluppo di catalizzatori efficienti ea basso costo è essenziale per rendere il carburante a idrogeno una valida alternativa. I ricercatori dell'università di Aalto hanno sviluppato un nuovo materiale catalizzatore per migliorare queste tecnologie.

La reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) e la reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER) sono le più importanti reazioni elettrochimiche che limitano l'efficienza delle celle a combustibile a idrogeno (per l'alimentazione di veicoli e la generazione di energia), elettrolizzatori ad acqua (per la produzione di idrogeno pulito), e batterie metallo-aria ad alta capacità. Fisici e chimici ad Aalto in collaborazione con ricercatori del CNRS Francia, e Vienna in Austria hanno sviluppato un nuovo catalizzatore che guida queste reazioni in modo più efficiente rispetto ad altri catalizzatori bifunzionali attualmente disponibili. I ricercatori hanno anche scoperto che l'attività elettrocatalitica del loro nuovo catalizzatore può essere significativamente alterata a seconda della scelta del materiale su cui è stato depositato il catalizzatore.

"Vogliamo sostituire i tradizionali catalizzatori costosi e scarsi a base di metalli preziosi come platino e iridio con alternative altamente attive e stabili composte da elementi economici e abbondanti come i metalli di transizione, carbonio e azoto", afferma il dott. Mohammad Tavakkoli, il ricercatore di Aalto che ha guidato il lavoro e ha scritto il documento.

In collaborazione con il CNRS, il team ha prodotto un ibrido di nanotubi di carbonio e grafene altamente poroso e lo ha drogato con singoli atomi di altri elementi noti per essere buoni catalizzatori. Il grafene e i nanotubi di carbonio (CNT) sono gli allotropi bidimensionali e unidimensionali del carbonio dello spessore di un atomo, rispettivamente, che hanno attirato un enorme interesse sia nel mondo accademico che nell'industria grazie alle loro eccezionali proprietà rispetto ai materiali più tradizionali. Hanno sviluppato un metodo facile e scalabile per coltivare questi nanomateriali allo stesso tempo, combinando le loro proprietà in un unico prodotto. "Siamo uno dei team leader al mondo per la sintesi scalabile di nanotubi di carbonio a doppia parete. L'innovazione qui è stata quella di modificare il nostro processo di fabbricazione per preparare questi campioni unici, " ha detto il dottor Emmanuel Flahut, direttore di ricerca al CNRS.

In questo processo in un unico passaggio, potrebbero anche drogare il grafene con singoli atomi di azoto e/o metallici (cobalto e molibdeno) come strategia promettente per produrre catalizzatori a singolo atomo (SAC). Nella scienza della catalisi, il nuovo campo dei SAC con atomi metallici isolati dispersi su supporti solidi ha attirato un'ampia attenzione da parte della ricerca a causa della massima efficienza di utilizzo degli atomi e delle proprietà uniche dei SAC. Rispetto alle strategie rivali per la realizzazione di SAC, il metodo utilizzato dal team di Aalto &CNRS fornisce un metodo semplice che si svolge in un unico passaggio, contenere i costi.

Il substrato catalizzatore può aumentare le prestazioni

I catalizzatori sono solitamente depositati su un substrato sottostante. Il ruolo che questo substrato gioca sulla reattività finale del catalizzatore è solitamente trascurato dai ricercatori, tuttavia per questo nuovo catalizzatore, i ricercatori hanno scoperto che il substrato ha svolto un ruolo importante nella sua efficienza. Il team ha scoperto che la struttura porosa del loro materiale consente di accedere a siti di catalizzatori più attivi formati alla sua interfaccia con il substrato, così hanno sviluppato un nuovo metodo di analisi di microscopia elettrochimica per misurare come questa interfaccia potrebbe contribuire a catalizzare la reazione e produrre il catalizzatore più efficace. Sperano che il loro studio degli effetti del substrato sull'attività catalitica dei materiali porosi stabilisca una base per la progettazione razionale di elettrodi ad alte prestazioni per i dispositivi di energia elettrochimica e fornisca linee guida per studi futuri.