I chimici dell'Università dell'Oregon hanno ottenuto sostanziali guadagni nel migliorare la reazione di dissociazione catalitica dell'acqua nei reattori elettrochimici, chiamati elettrolizzatori bipolari a membrana, per separare in modo più efficiente le molecole d'acqua in protoni con carica positiva e ioni idrossido con carica negativa.

La scoperta, pubblicato online prima della stampa sulla rivista Scienza , fornisce una tabella di marcia per realizzare dispositivi elettrochimici che beneficiano della proprietà chiave del funzionamento delle membrane bipolari:generare i protoni e gli ioni idrossido all'interno del dispositivo e fornire gli ioni direttamente agli elettrodi per produrre i prodotti chimici finali.

La tecnologia dietro le membrane bipolari, che sono polimeri a scambio ionico stratificati che racchiudono uno strato di catalizzatore di dissociazione dell'acqua, emerso negli anni Cinquanta. Sebbene siano stati applicati industrialmente su piccola scala, le loro prestazioni sono attualmente limitate al funzionamento a bassa densità di corrente, che ostacola applicazioni più ampie.

Tra questi ci sono i dispositivi per produrre gas idrogeno dall'acqua e dall'elettricità, catturare l'anidride carbonica dall'acqua di mare, e produrre combustibili a base di carbonio direttamente dall'anidride carbonica, ha detto il co-autore Shannon W. Boettcher, professore nel Dipartimento di Chimica e Biochimica dell'UO e direttore fondatore dell'Oregon Center for Electrochemistry,

"Sospetto che i nostri risultati accelereranno una rinascita nello sviluppo di dispositivi a membrana bipolare e la ricerca sui fondamenti della reazione di dissociazione dell'acqua, " ha detto Boettcher, che è anche membro del Materials Science Institute e associato del Phil and Penny Knight Campus dell'UO per l'accelerazione dell'impatto scientifico.

"Le prestazioni che abbiamo dimostrato sono sufficientemente elevate, " ha detto. "Se possiamo migliorare la durata e produrre le membrane bipolari con i nostri partner del settore, ci dovrebbero essere importanti applicazioni immediate".

Tipicamente, dispositivi elettrochimici a base d'acqua come batterie, le celle a combustibile e gli elettrolizzatori funzionano a un unico pH in tutto il sistema, ovvero il sistema è acido o basico, ha detto l'autore principale dello studio Sebastian Z. Oener, uno studioso post-dottorato supportato da una borsa di studio della Fondazione tedesca per la ricerca nel laboratorio di Boettcher.

"Spesso, questo porta o all'uso di metalli preziosi costosi per catalizzare le reazioni degli elettrodi, come l'iridio, uno dei metalli più rari sulla terra, o sacrificare l'attività del catalizzatore, quale, a sua volta, aumenta l'apporto energetico richiesto del reattore elettrochimico, " Oener ha detto. "Una membrana bipolare può superare questo compromesso azionando ogni elettrocatalizzatore localmente nel suo ambiente di pH ideale. Questo aumenta il respiro di stabile, disponibilità di catalizzatori abbondanti in terra per ogni semireazione."

La squadra di tre membri, che includeva anche lo studente laureato Marc J. Foster, utilizzato un assemblaggio membrana-elettrodo in cui la membrana bipolare polimerica è compressa tra due elettrodi porosi rigidi. Questo approccio ha permesso loro di realizzare un gran numero di membrane bipolari con diversi strati di catalizzatore di dissociazione dell'acqua e di misurare accuratamente l'attività per ciascuna.

Il team ha scoperto che la posizione esatta di ogni strato di catalizzatore all'interno della giunzione della membrana bipolare, l'interfaccia tra uno strato conduttore di idrossido e lo strato conduttore di protoni nella membrana bipolare, influisce notevolmente sull'attività del catalizzatore. Ciò ha permesso loro di utilizzare i doppi strati di catalizzatore per realizzare membrane bipolari da record che essenzialmente dissociano l'acqua con un apporto di energia extra perduto trascurabile.

"La sorpresa più grande è stata la realizzazione che le prestazioni potevano essere migliorate sostanzialmente sovrapponendo diversi tipi di catalizzatori uno sopra l'altro, " ha detto Boettcher. "Questo è semplice ma non era stato esplorato completamente".

Una seconda scoperta chiave, Oener ha detto, è che la reazione di dissociazione dell'acqua che si verifica all'interno della membrana bipolare è fondamentalmente correlata a quella che si verifica sulle superfici dell'elettrocatalizzatore, come quando i protoni vengono estratti direttamente dalle molecole d'acqua quando si produce idrogeno combustibile in condizioni di pH basico.

"Questo è unico perché non è stato prima possibile separare i singoli passaggi che si verificano durante una reazione elettrochimica, " disse Oener. "Sono tutti collegati, coinvolgendo elettroni e intermedi, e procedere rapidamente in serie. L'architettura della membrana bipolare ci consente di isolare la fase chimica di dissociazione dell'acqua e studiarla isolatamente".

quella constatazione, Egli ha detto, potrebbe anche portare a elettrocatalizzatori migliorati per reazioni che producono direttamente combustibili ridotti dall'acqua, come produrre gas idrogeno o combustibile liquido dall'anidride carbonica di scarto.

Le scoperte, Boettcher ha detto, fornire un modello meccanicistico provvisorio, uno che potrebbe aprire il campo e motivare molti altri studi.

"Siamo entusiasti di vedere la risposta della comunità di ricerca e vedere se questi risultati possono essere tradotti in prodotti che riducono la dipendenza della società dai combustibili fossili, " Egli ha detto.