Struttura cristallina della superficie in lega metallica ricca di ossigeno (in alto a sinistra). L'ossigeno e l'idrogeno vengono generati durante una reazione di elettrolisi dell'acqua (in alto a destra). Il catalizzatore progettato mostra la migliore attività di evoluzione dell'ossigeno con un potenziale eccessivo minimo (pannelli inferiori). Credito:IBS
Quando l'idrogeno viene consumato in una cella a combustibile, che prende la molecola d'acqua H 2 O e lo separa in ossigeno e idrogeno, un processo chiamato elettrolisi, produce solo acqua, elettricità e calore. Come fonte di energia a zero emissioni di carbonio, la gamma del suo potenziale utilizzo è illimitata nel trasporto, commerciale, industriale, applicazioni residenziali e portatili.
Mentre i processi tradizionali di produzione dell'idrogeno richiedevano combustibili fossili o CO 2 , l'elettrolisi produce "idrogeno verde" dalle molecole d'acqua. Poiché l'acqua non può essere scissa in idrogeno e ossigeno da sola, la conversione elettrochimica idrogeno-acqua necessita di elettrocatalizzatori altamente attivi. L'elettrolisi dell'acqua convenzionale, però, affronta sfide tecnologiche per migliorare l'efficienza della reazione di scissione dell'acqua per la lenta reazione di evoluzione dell'ossigeno. Ossido di rutenio a base di metalli nobili (RuO 2 ) e ossido di iridio (IrO 2 ) sono utilizzati per aumentare il tasso di generazione di ossigeno. Però, questi catalizzatori di metalli nobili sono costosi e mostrano scarsa stabilità durante il funzionamento a lungo termine.
Guidato dal direttore associato LEE Hyoyoung del Center for Integrated Nanostructure Physics all'interno dell'Institute for Basic Science (IBS) situato presso la Sungkyunkwan University, il team di ricerca IBS ha sviluppato un elettrocatalizzatore altamente efficiente e di lunga durata per l'ossidazione dell'acqua utilizzando cobalto, ferro e una minima quantità di rutenio.
"Abbiamo utilizzato copolimeri a blocchi anfifilici per controllare l'attrazione elettrostatica nella nostra lega bimetallica a singolo atomo di rutenio (Ru). I copolimeri facilitano la sintesi di cluster sferici di molecole di idrocarburi i cui segmenti solubili e insolubili formano il nucleo e il guscio. In questo studio, la loro tendenza per una struttura chimica unica consente la sintesi della lega atomica Ru singola ad alte prestazioni presente in cima al composito metallico stabile di ferro cobalto (Co-Fe) circondato da materiale poroso, guscio in carbonio difettoso e grafitico, "dice LEE Jinsun e Kumar Ashwani, i co-primi autori dello studio.
"Siamo stati molto entusiasti di scoprire che l'ossigeno superficiale pre-adsorbito sulla superficie della lega Co-Fe, assorbito durante il processo di sintesi, stabilizza uno degli intermedi importanti (OOH) durante la reazione di generazione dell'ossigeno, aumentare l'efficienza complessiva della reazione catalitica. L'ossigeno superficiale pre-assorbito è stato di scarso interesse fino alla nostra scoperta, "dice il direttore associato Lee, il corrispondente autore dello studio. I ricercatori hanno scoperto che la ricottura di quattro ore a 750 gradi C in un'atmosfera di argon è la condizione più appropriata per il processo di generazione dell'ossigeno. Oltre all'ambiente favorevole alla reazione sulla superficie metallica ospite, il singolo atomo di Ru, dove avviene la generazione di ossigeno, svolge anche il suo ruolo abbassando la barriera energetica, potenziando sinergicamente l'efficienza dell'evoluzione dell'ossigeno.
Il team di ricerca ha valutato l'efficienza catalitica con le metriche di sovratensione necessarie per la reazione di evoluzione dell'ossigeno. L'elettrocatalizzatore nobile avanzato ha richiesto solo una sovratensione di 180 mV (millivolt) per raggiungere una densità di corrente di 10 mA (milliampere) per cm 2 di catalizzatore, mentre l'ossido di rutenio necessitava di 298 mV. Inoltre, la lega bimetallica a singolo atomo di Ru ha mostrato stabilità a lungo termine per 100 ore senza alcun cambiamento di struttura. Per di più, la lega di cobalto e ferro con carbonio grafitico compensava anche la conduttività elettrica e migliorava il tasso di evoluzione dell'ossigeno.
Il direttore associato Lee afferma:"Questo studio ci porta un passo avanti verso un ambiente privo di carbonio, economia dell'idrogeno verde. Questo elettrocatalizzatore per la generazione di ossigeno altamente efficiente ed economico ci aiuterà a superare le sfide a lungo termine del processo di raffinazione dei combustibili fossili:produrre idrogeno ad alta purezza per applicazioni commerciali a basso prezzo e in modo ecologico".
Lo studio è stato pubblicato online il 4 novembre sulla rivista Scienze energetiche e ambientali .
