Per sfruttare l'idrogeno come fonte di energia pulita per il futuro, gli scienziati si sono sforzati di sviluppare nuovi processi per produrre idrogeno in modo efficiente ed economico. Un team composto da scienziati specializzati in materiali strutturali presso la City University di Hong Kong (CityU) ha sviluppato un elettrocatalizzatore ad alte prestazioni basato su un concetto innovativo originariamente per lo sviluppo di leghe. Il nuovo elettrocatalizzatore può essere prodotto su larga scala e a basso costo, fornendo un nuovo paradigma nell'ampia applicazione della produzione di idrogeno mediante reazione elettrochimica in futuro.

La ricerca è stata co-diretta dal professor Lu Jian, Vicepresidente di CityU (ricerca e tecnologia) e professore di ingegneria meccanica, e il professor Liu Chain-tsuan, illustre professore universitario del College of Engineering. I risultati sono stati pubblicati in Materiale avanzato con il titolo "Un nuovo intermetallico multinario come elettrocatalizzatore attivo per l'evoluzione dell'idrogeno".

Quando consumato in una cella a combustibile, l'idrogeno produce solo acqua senza alcuna generazione di anidride carbonica. Perciò, è comunemente considerata una fonte pulita ideale per affrontare i problemi dei gas serra e della scarsità di energia. Rispetto ad altri metodi di produzione di idrogeno, la scissione elettrochimica dell'acqua è un processo relativamente ecologico con un grande potenziale per le applicazioni industriali. Però, la maggior parte degli attuali elettrocatalizzatori sono a base di metalli nobili, come platino e palladio. I loro costi elevati e la loro scarsità ostacolano notevolmente lo sviluppo e l'applicazione di questo metodo di produzione dell'idrogeno.

Prima, Il professor Liu ha sviluppato una strategia di progettazione di leghe innovativa per la produzione di composti intermetallici ad alta entropia. Questa strategia supera il dilemma del compromesso tra resistenza e duttilità nei materiali metallici tradizionali introducendo un'alta densità di nanoparticelle di composti intermetallici multicomponente su scala nanometrica. I risultati sono stati pubblicati in Scienza . Poiché i composti intermetallici ad alta entropia possiedono strutture atomiche ben ordinate e funzioni chimiche sinergiche grazie ai suoi molteplici componenti, entrambi i quali promuovono le prestazioni elettrocatalitiche, la nuova strategia di progettazione della lega fornisce anche informazioni per lo sviluppo di nuovi elettrocatalizzatori.

Il team del professor Liu ha collaborato con il gruppo di esperti del professor Lu nella ricerca sui metalli nobili e ha sviluppato un nuovo elettrocatalizzatore intermetallico ad alta entropia (HEI) adottando la strategia di progettazione della lega. Il nuovo elettrocatalizzatore è composto principalmente da cinque elementi metallici:ferro, cobalto, nichel, alluminio e titanio. Ha anche una struttura atomica ben ordinata. Attraverso un semplice, metodo chimico in un'unica fase, il team ha prodotto una struttura porosa simile al dendrite che ha notevolmente aumentato l'area superficiale per le attività elettrochimiche e quindi ha migliorato significativamente le prestazioni elettrochimiche.

Le leghe ad alta entropia (HEA) sono nuove leghe composte da quattro o più elementi metallici, con buona meccanica, fisico, chimiche e altre proprietà. Poiché contiene varietà di elementi, le funzioni sinergiche tra i diversi elementi chimici forniscono molti percorsi per ottimizzare le prestazioni catalitiche. Però, gli HEA convenzionali hanno distribuzione atomica disordinata nella loro soluzione solida, quindi è difficile alterare efficacemente la struttura elettronica e i siti attivi per promuovere finalmente la reazione elettrochimica.

D'altra parte, i composti intermetallici sono un tipo di lega metallica formata da elementi metallici, oppure da elementi metallici con uno o più elementi non metallici la cui struttura cristallina differisce da quella degli altri costituenti. Poiché gli atomi di metallo multinario sono distribuiti uniformemente nella sua struttura intermetallica ben ordinata, consente uno specifico effetto di isolamento del sito. E la sua struttura elettronica è altamente sintonizzabile. Quindi è considerato un catalizzatore promettente. Però, la maggior parte della ricerca attuale sugli elettrocatalizzatori intermetallici si concentra su leghe binarie che non hanno le funzioni sinergiche tra gli elementi metallici multinari.

Perciò, questo risultato della ricerca è in realtà il risultato della combinazione dei vantaggi di leghe ad alta entropia (effetti sinergici tra elementi metallici multinari) e composti intermetallici (effetto intrinseco di isolamento del sito strutturale e struttura elettronica ben sintonizzata).

Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione a risoluzione atomica (corretta per Cs) e la tomografia a sonda atomica 3-D negli esperimenti, il team ha caratterizzato la struttura atomica dell'elettrocatalizzatore HEI. Con ulteriori calcoli teorici, hanno dimostrato che gli effetti sinergici e la struttura atomica ben ordinata ottimizzano efficacemente la struttura elettronica, e quindi promuovere il processo di scissione elettrochimica dell'acqua.

A causa dei suoi costituenti e struttura unici, questo catalizzatore HEI esegue un'eccellente reazione di evoluzione dell'idrogeno in una soluzione di elettrolita alcalino.

"La nostra strategia unica per produrre HEI scopre un nuovo paradigma per sviluppare un nuovo elettrocatalizzatore con attività di reazione superiori per la scissione dell'acqua e la produzione di idrogeno, " ha detto il professor Liu.

"Il metodo che abbiamo usato per preparare l'HEI è già stato ampiamente impiegato nella produzione industriale. Poiché utilizziamo i metalli più economici come materie prime, crediamo che questo nuovo elettrocatalizzatore avrà un potenziale applicativo promettente nella produzione industriale di idrogeno, " ha aggiunto il professor Lu.