La raccolta di energia rigenerativa spesso genera più elettricità di quella direttamente necessaria. I processi elettrochimici potrebbero essere utilizzati per immagazzinare l'energia in eccesso o renderla utilizzabile. Sebbene la ricerca intensiva sui catalizzatori necessari per questo sia in corso da 20 anni, si stanno facendo progressi solo a piccoli passi. Cosa dovrebbe cambiare nella ricerca per sviluppare soluzioni efficienti, catalizzatori stabili e selettivi per applicazioni industriali è descritto dal Dr. Justus Masa del Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion, La professoressa Corina Andronescu dell'Università di Duisburg-Essen e il professor Wolfgang Schuhmann della Ruhr-Universität Bochum in un articolo di rassegna. È stato pubblicato online sulla rivista Angewandte Chemie il 30 giugno 2020.

Reazioni chimiche per la conversione dell'energia

Tre reazioni chimiche sarebbero particolarmente adatte per la conversione dell'energia:l'elettrolisi dell'acqua in idrogeno e ossigeno, che può essere successivamente utilizzato per generare energia elettrica nelle celle a combustibile; la conversione dell'azoto in ammoniaca, un importante materiale di partenza per l'industria chimica; e la conversione elettrochimica della CO ₂ in altri materiali di partenza per l'industria, come l'etilene.

Attività, selettività e stabilità dei catalizzatori

Nel loro articolo di recensione, gli autori descrivono che la ricerca sui nuovi catalizzatori deve sempre tenere a mente tre fattori:attività, selettività e stabilità. L'attività descrive quanto è potente un catalizzatore a un dato input di energia. La selettività è definita come la capacità di produrre la sostanza desiderata senza contaminare i sottoprodotti. La stabilità indica l'efficienza di un catalizzatore nel lungo periodo.

"Molte pubblicazioni rivendicano un'elevata attività, stabilità e selettività degli elettrocatalizzatori per importanti reazioni di conversione dell'energia, ma mancano le prove "dice Wolfgang Schuhmann, capo del Center for Electrochemistry e membro del Ruhr Explores Solvation Cluster of Excellence, Risolv.

Divario tra ricerca di base e applicazione

Masa, Andronescu e Schuhmann criticano, tra l'altro, che spesso non si attribuisce sufficiente importanza alla stabilità dei catalizzatori. "La sottovalutazione della stabilità del catalizzatore è in gran parte responsabile dell'enorme divario tra scoperte apparentemente entusiasmanti nella progettazione di catalizzatori attivi e l'implementazione pratica di tali catalizzatori nelle applicazioni tecniche, " loro scrivono.

Il team identifica cinque fattori che ostacolano il passaggio dalla ricerca alla pratica:

• Le prestazioni e le proprietà dei materiali dei catalizzatori in condizioni rilevanti per l'applicazione differiscono da quelle in condizioni di laboratorio.
• Non esistono linee guida definite per valutare e confrontare le prestazioni dei catalizzatori.
• Spesso vengono utilizzati metodi di caratterizzazione inadatti per determinare le prestazioni delle reazioni elettrocatalitiche.
• Si sa troppo poco sui centri attivi dei catalizzatori e sulla loro stabilità a lungo termine. Per esempio, vengono trascurate le influenze delle molecole e degli ioni del solvente circostanti sulla funzione.
• Per determinare l'attività di un catalizzatore, la sua superficie effettiva deve essere conosciuta. Gli insiemi di nanoparticelle sono spesso usati come catalizzatori per i quali i metodi convenzionali di determinazione della superficie non sono adatti.

Nel loro articolo, Giusto Masa, Corina Andronescu e Wolfgang Schuhmann utilizzano i risultati sperimentali per dimostrare quanto sia importante pensare sempre alla stabilità dei catalizzatori in modo integrato con la loro attività. Propongono vari metodi per misurare in modo affidabile l'attività e fanno riferimento alla nanoelettrochimica. Se gli insiemi di nanoparticelle sono usati come catalizzatori, le singole nanoparticelle dovrebbero essere caratterizzate, non insiemi di particelle, altrimenti si verificherà un'interferenza. Finalmente, gli autori chiedono un cambio di paradigma nella progettazione del catalizzatore. Elencano approcci promettenti che potrebbero produrre i prodotti desiderati in modo altamente selettivo.