L'economia futura basata su fonti energetiche rinnovabili e sostenibili potrebbe utilizzare auto alimentate a batteria, grandi parchi solari ed eolici, e le riserve energetiche immagazzinate nelle batterie e nei combustibili chimici. Sebbene ci siano già esempi di fonti energetiche sostenibili in uso, scoperte scientifiche e ingegneristiche determineranno la tempistica per un'adozione diffusa.

Un paradigma proposto per allontanarsi dai combustibili fossili è l'economia dell'idrogeno, in cui il gas idrogeno alimenta le esigenze elettriche della società. Per produrre in serie idrogeno gassoso, alcuni scienziati stanno studiando il processo di scissione dell'acqua, due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno, che si tradurrebbe in idrogeno e gas ossigeno respirabile.

Feng Lin, un assistente professore di chimica al Virginia Tech College of Science, si sta concentrando sulla ricerca sull'immagazzinamento e la conversione dell'energia. Questo lavoro fa parte di un nuovo studio pubblicato sulla rivista Catalisi della natura che risolve una chiave, barriera fondamentale nel processo di scissione elettrochimica dell'acqua dove il Lin Lab dimostra una nuova tecnica per rimontare, rivivere, e riutilizzare un catalizzatore che consente una scissione dell'acqua efficiente dal punto di vista energetico. Chunguang Kuai, un ex studente laureato di Lin, è il primo autore dello studio con Lin e co-autori studenti laureati in chimica Zhengrui Xu, Anyang Hu, e Zhijie Yang.

L'idea centrale di questo studio risale a un argomento delle lezioni di chimica generale:i catalizzatori. Queste sostanze aumentano la velocità di una reazione senza essere consumate nel processo chimico. Un modo in cui un catalizzatore aumenta la velocità di reazione è diminuendo la quantità di energia necessaria per l'inizio della reazione.

L'acqua può sembrare basilare come una molecola composta da soli tre atomi, ma il processo di scissione è abbastanza difficile. Ma il laboratorio di Lin lo ha fatto. Anche spostare un elettrone da un atomo stabile può richiedere molta energia, ma questa reazione richiede il trasferimento di quattro per ossidare l'ossigeno per produrre ossigeno gassoso.

"In una cella elettrochimica, il processo di trasferimento a quattro elettroni renderà la reazione piuttosto lenta, e abbiamo bisogno di un livello elettrochimico più alto per farlo accadere, " Lin ha detto. "Con una maggiore energia necessaria per dividere l'acqua, l'efficienza a lungo termine e la stabilità del catalizzatore diventano sfide chiave".

Per soddisfare questo elevato fabbisogno energetico, il Lin Lab introduce un catalizzatore comune chiamato idrossido di ferro e nichel misto (MNF) per abbassare la soglia. Le reazioni di scissione dell'acqua con MNF funzionano bene, ma a causa dell'elevata reattività del MNF, ha una vita breve e le prestazioni catalitiche diminuiscono rapidamente.

Lin e il suo team hanno scoperto una nuova tecnica che avrebbe consentito il rimontaggio periodico allo stato originale di MNF, permettendo così al processo di scissione dell'acqua di continuare. (Il team ha usato acqua dolce nei loro esperimenti, ma Lin suggerisce che anche l'acqua salata, la forma più abbondante di acqua sulla Terra, potrebbe funzionare.)

MNF ha una lunga storia con gli studi sull'energia. Quando Thomas Edison armeggiò con le batterie più di un secolo fa, ha anche usato gli stessi elementi di nichel e ferro nelle batterie a base di idrossido di nichel. Edison osservò la formazione di gas ossigeno nei suoi esperimenti con l'idrossido di nichel, che è un male per una batteria, ma in caso di scissione dell'acqua, la produzione di ossigeno gassoso è l'obiettivo.

"Gli scienziati hanno capito da molto tempo che l'aggiunta di ferro nel reticolo di idrossido di nichel è la chiave per il miglioramento della reattività della scissione dell'acqua". ha detto Kuai. "Ma nelle condizioni catalitiche, la struttura dell'MNF pre-progettato è altamente dinamica a causa dell'ambiente altamente corrosivo della soluzione elettrolitica."

Durante gli esperimenti di Lin, L'MNF si degrada da una forma solida in ioni metallici nella soluzione elettrolitica, una limitazione fondamentale di questo processo. Ma il team di Lin ha osservato che quando la cella elettrochimica si capovolge dall'alto, potenziale elettrocatalitico a un basso, riduzione del potenziale, solo per un periodo di due minuti, gli ioni metallici disciolti si riassemblano nel catalizzatore MNF ideale. Ciò si verifica a causa di un'inversione del gradiente di pH all'interno dell'interfaccia tra il catalizzatore e la soluzione elettrolitica.

"Durante il basso potenziale per due minuti, abbiamo dimostrato che non solo gli ioni di nichel e ferro vengono depositati di nuovo nell'elettrodo, ma mescolandoli molto bene insieme e creando siti catalitici altamente attivi, " Lin ha detto. "Questo è davvero emozionante, perché ricostruiamo i materiali catalitici su scala di lunghezza atomica all'interno di un'interfaccia elettrochimica di pochi nanometri."

Un altro motivo per cui la riforma funziona così bene è che il Lin Lab ha sintetizzato il nuovo MNF come fogli sottili che sono più facili da riassemblare rispetto a un materiale sfuso.

Convalida dei risultati attraverso i raggi X

Per corroborare questi risultati, Il team di Lin ha condotto misurazioni di raggi X di sincrotrone presso l'Advanced Photon Source dell'Argonne National Laboratory e presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource dello SLAC National Accelerator Laboratory. Queste misurazioni utilizzano la stessa premessa di base della normale radiografia ospedaliera, ma su una scala molto più ampia.

"Volevamo osservare cosa era successo durante l'intero processo, " ha detto Kuai. "Possiamo utilizzare l'imaging a raggi X per vedere letteralmente la dissoluzione e la rideposizione di questi ferri metallici per fornire un quadro fondamentale delle reazioni chimiche".

Gli impianti di sincrotrone richiedono un ciclo enorme, simile alle dimensioni del Drillfield al Virginia Tech, che può eseguire la spettroscopia a raggi X e l'imaging ad alta velocità. Ciò fornisce a Lin elevati livelli di dati nelle condizioni operative catalitiche. Lo studio fornisce anche approfondimenti su una serie di altre importanti scienze dell'energia elettrochimica, come la riduzione dell'azoto, riduzione dell'anidride carbonica, e batterie zinco-aria.

"Al di là dell'immagine, numerose misurazioni spettroscopiche a raggi X hanno permesso di studiare come i singoli ioni metallici si uniscono e formano cluster con diverse composizioni chimiche, Lin ha detto. "Questo ha davvero aperto la porta per sondare le reazioni elettrochimiche in ambienti di reazione chimica reali."