Bacini atomici QTAIM di platino e alluminio (trasparente) e bacino di legame Al-Pt (rosso) nel composto Al2Pt, rivelando il pronunciato trasferimento di carica dagli atomi di Al a Pt e il carattere polare delle interazioni atomiche Al-Pt. Credito:© MPI CPfS
Il passaggio dai combustibili fossili alle fonti energetiche rinnovabili dipende fortemente dalla disponibilità di sistemi efficaci per la conversione e lo stoccaggio dell'energia. Considerando l'idrogeno come molecola portatrice, L'elettrolisi a membrana a scambio protonico offre numerosi vantaggi, come il funzionamento ad alta densità di corrente, crossover a gas basso, design del sistema compatto ecc. Tuttavia, la sua ampia implementazione è ostacolata dalla lenta cinetica della reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER), il cui miglioramento richiede l'applicazione di elettrocatalizzatori a base di Ir poco abbondanti e costosi.
Cercando una progettazione razionale di nuovi tipi di elettrocatalizzatori OER e affrontando questioni fondamentali sulle reazioni chiave nella conversione dell'energia, il consorzio interistituzionale MPG MAXNET Energy ha integrato scienziati di diverse istituzioni in Germania e all'estero. A seguito di una stretta e fruttuosa collaborazione in questo quadro, gli scienziati del dipartimento di scienze chimiche dei metalli presso MPI CPfS insieme agli esperti del Fritz Haber Institute di Berlino e del MPI CEC di Muelheim an der Ruhr, ha sviluppato un nuovo concetto per produrre multifunzionalità in elettrocatalisi e lo ha illustrato con successo con un esempio di composto intermetallico Al 2 Pt come precursore per materiale elettrocatalizzatore OER.
Il composto intermetallico Al 2 Pt (anti-CaF 2 tipo di struttura cristallina) combina due caratteristiche importanti per le prestazioni elettrocatalitiche:(i) ridotta densità di stati al livello di Fermi di Pt, e (ii) pronunciato trasferimento di carica dall'alluminio al platino, portando a un legame chimico fortemente polare in questo composto. Queste caratteristiche forniscono un'attività OER intrinseca e una maggiore stabilità contro l'ossidazione completa in condizioni ossidative difficili dell'OER. A condizioni OER, Al 2 Pt subisce una ristrutturazione nella regione vicina alla superficie a causa della dissoluzione autocontrollata dell'alluminio. La rugosità e la porosità della microstruttura vicina alla superficie formata in situ consentono di compensare la perdita di attività specifica. Anche dopo un esperimento di stabilità eccezionalmente lungo (19 giorni) ad alta densità di corrente (90 mA cm -2 ) il materiale sfuso conserva la sua integrità strutturale e compositiva. Ampliare la scelta delle tecniche di sintesi, per esempio. crescita di film sottili, ed esplorando la varietà dei composti intermetallici tracciano le principali linee guida per lo sviluppo futuro della strategia proposta.
Esperimento OER a lungo termine in HClO4 0,1 M con anodo Al2Pt, espresso tramite una serie di curve voltammetriche a scansione lineare, registrato dopo ogni 24 h di cronopotenziometria a 90 mA cm-2. Riquadro:immagine dello spettro EDX dei primi 1,2 mm del campione dopo l'esperimento a lungo termine (vista in sezione trasversale; domini ricchi di Al in blu, grani arricchiti di Pt in rosso). Credito:© MPI CPfS
La ricerca presso l'Istituto Max Planck per la fisica chimica dei solidi (MPI CPfS) di Dresda mira a scoprire e comprendere nuovi materiali con proprietà insolite.
In stretta collaborazione, chimici e fisici (compresi i chimici che lavorano alla sintesi, sperimentali e teorici) utilizzano gli strumenti e i metodi più moderni per esaminare come la composizione chimica e la disposizione degli atomi, così come le forze esterne, influenzare il magnetico, proprietà elettroniche e chimiche dei composti.
Nuovi materiali quantistici, fenomeni fisici e materiali per la conversione energetica sono il risultato di questa collaborazione interdisciplinare.
