L'elettrochimica sta giocando un ruolo sempre più importante:che si tratti di celle a combustibile, elettrolisi o accumulo di energia chimica, vengono utilizzate reazioni chimiche controllate dalla corrente elettrica. Il fattore decisivo in tutte queste applicazioni è che le reazioni siano il più rapide ed efficienti possibile.

Un importante passo avanti è stato fatto ora da un team di TU Wien (Vienna) e DESY ad Amburgo:hanno dimostrato che un materiale speciale fatto di lantanio, stronzio, ferro e ossigeno possono essere commutati avanti e indietro tra due diversi stati:in uno stato il materiale è cataliticamente estremamente attivo, nell'altro meno. La ragione di ciò è il comportamento di minuscole nanoparticelle di ferro sulla superficie, che ora è stato dimostrato in esperimenti presso il DESY di elettroni di sincrotrone tedesco ad Amburgo. Questa scoperta dovrebbe ora consentire di sviluppare catalizzatori ancora migliori. Il risultato è stato pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

La tensione elettrica fa migrare gli ioni di ossigeno

"Da anni utilizziamo la perovskite per i nostri esperimenti elettrochimici, " afferma il prof. Alexander Opitz dell'Istituto di tecnologie chimiche e analisi. "Le perovskiti sono una classe di materiali molto diversificata, alcuni di loro sono eccellenti catalizzatori." La superficie delle perovskiti può aiutare a portare alcuni reagenti in contatto tra loro, o a separarli di nuovo. "Soprattutto, le perovskiti hanno il vantaggio di essere permeabili agli ioni di ossigeno. Perciò, possono condurre corrente elettrica, e ne approfittiamo".

Quando viene applicata una tensione elettrica alla perovskite, gli ioni di ossigeno vengono rilasciati dal loro posto all'interno del cristallo e iniziano a migrare attraverso il materiale. Se la tensione supera un certo valore, questo porta anche alla migrazione degli atomi di ferro nella perovskite. Si spostano in superficie e lì formano minuscole particelle, con un diametro di pochi nanometri. Essenzialmente, queste nanoparticelle sono ottimi catalizzatori.

"La cosa interessante è che se si inverte la tensione elettrica, l'attività catalitica diminuisce nuovamente. E finora la ragione di ciò non era chiara, " dice Alexander Opitz. "Alcune persone sospettavano che gli atomi di ferro sarebbero semplicemente migrati di nuovo nel cristallo, ma non è vero. Quando si verifica l'effetto, gli atomi di ferro non devono assolutamente lasciare il loro posto sulla superficie del materiale."

Analisi con raggi X al DESY

Il team di ricerca della TU Wien ha collaborato con un team dell'Electron Synchrotron di Amburgo (DESY) per analizzare con precisione la struttura delle nanoparticelle con i raggi X mentre avvengono i processi chimici. Si è scoperto che le nanoparticelle cambiano avanti e indietro tra due diversi stati, a seconda della tensione applicata:"Possiamo commutare le particelle di ferro da uno stato metallico a uno ossidativo, " dice Opitz. La tensione applicata determina se gli ioni ossigeno nel materiale vengono pompati verso le nanoparticelle di ferro o lontano da esse. Questo permette di controllare quanto ossigeno è contenuto nelle nanoparticelle, e a seconda della quantità di ossigeno, le nanoparticelle possono formare due diverse strutture:una ricca di ossigeno, con bassa attività catalitica, e un povero di ossigeno, cioè metallico, che è cataliticamente molto attivo.

"Si tratta di una scoperta molto importante per noi, " dice. "Se il passaggio tra i due stati fosse causato dagli atomi di ferro della nanoparticella che si diffondono nel cristallo, sarebbero necessarie temperature molto elevate per far funzionare questo processo in modo efficiente. Ora che abbiamo capito che il cambiamento di attività non è legato alla diffusione degli atomi di ferro ma al cambiamento tra due diverse strutture cristalline, sappiamo anche che temperature relativamente basse possono essere sufficienti. Ciò rende questo tipo di catalizzatore ancora più interessante perché può essere potenzialmente utilizzato per accelerare reazioni tecnologicamente rilevanti".

Dall'idrogeno allo stoccaggio di energia

Questo meccanismo catalitico deve ora essere ulteriormente studiato, anche per materiali con composizioni leggermente diverse. Potrebbe aumentare l'efficienza di molte applicazioni. "Questo è particolarmente interessante per le reazioni chimiche che sono importanti nel settore energetico, " dice Opitz. "Ad esempio, quando si tratta di produzione di idrogeno o gas di sintesi, o allo stoccaggio di energia producendo combustibile con corrente elettrica."