Sulla strada per un CO ₂ -economia neutrale, dobbiamo perfezionare un'intera gamma di tecnologie, compresa l'estrazione elettrochimica dell'idrogeno dall'acqua, celle a combustibile, o cattura del carbonio. Tutte queste tecnologie hanno una cosa in comune:funzionano solo se vengono utilizzati catalizzatori idonei. Per molti anni, i ricercatori hanno quindi studiato quali materiali sono più adatti a questo scopo.

Alla TU Wien e al Centro Comet per l'elettrochimica e la tecnologia delle superfici CEST di Wiener Neustadt, una combinazione unica di metodi di ricerca è disponibile per questo tipo di ricerca. Insieme gli scienziati potrebbero ora dimostrare:cercare il catalizzatore perfetto non significa solo trovare il materiale giusto, ma anche sul suo orientamento. A seconda della direzione in cui un cristallo viene tagliato e quale dei suoi atomi presenta così al mondo esterno sulla sua superficie, il suo comportamento può cambiare drasticamente.

Efficienza o stabilità

"Per molti importanti processi in elettrochimica, i metalli preziosi sono spesso usati come catalizzatori, come ossido di iridio o particelle di platino, " afferma il prof. Markus Valtiner dell'Istituto di fisica applicata della TU Wien (IAP). In molti casi si tratta di catalizzatori con un'efficienza particolarmente elevata. Tuttavia, ci sono anche altri punti importanti da considerare:La stabilità di un catalizzatore e la disponibilità e riciclabilità dei materiali. Il materiale catalizzatore più efficiente è di scarsa utilità se si tratta di un metallo raro, si dissolve dopo poco tempo, subisce alterazioni chimiche o diventa inutilizzabile per altri motivi.

Per questa ragione, Altro, sono interessanti catalizzatori più sostenibili, come l'ossido di zinco, anche se sono ancora meno efficaci. Combinando diversi metodi di misurazione, è ora possibile dimostrare che l'efficacia e la stabilità di tali catalizzatori possono essere significativamente migliorate studiando come è strutturata la superficie dei cristalli di catalizzatore su scala atomica.

Tutto dipende dalla direzione

I cristalli possono avere diverse superfici:"Immaginiamo un cristallo a forma di cubo che tagliamo in due, " dice Markus Valtiner. "Possiamo tagliare il cubo dritto al centro per creare due parallelepipedi. Oppure possiamo tagliarlo esattamente in diagonale, con un angolo di 45 gradi. Le superfici di taglio che otteniamo in questi due casi sono diverse:atomi diversi si trovano a distanze diverse tra loro sulla superficie di taglio. Perciò, queste superfici possono anche comportarsi in modo molto diverso nei processi chimici".

I cristalli di ossido di zinco non sono a forma di cubo, ma formano esagoni a nido d'ape, ma lo stesso principio si applica qui, anche:le sue proprietà dipendono dalla disposizione degli atomi sulla superficie. "Se scegli esattamente il giusto angolo di superficie, lì si formano fori triangolari microscopici, con un diametro di pochi atomi, " dice Markus Valtiner. "Gli atomi di idrogeno possono attaccarsi lì, avvengono processi chimici che favoriscono la scissione dell'acqua, ma allo stesso tempo stabilizzare il materiale stesso".

Il team di ricerca è ora in grado di dimostrare per la prima volta questa stabilizzazione:"Sulla superficie del catalizzatore, l'acqua viene scissa in idrogeno e ossigeno. Mentre questo processo è in corso, possiamo prelevare campioni liquidi ed esaminare se contengono tracce del catalizzatore, " spiega Markus Valtiner. "Per fare questo, il liquido deve prima essere fortemente riscaldato in un plasma e scomposto in singoli atomi. Quindi separiamo questi atomi in uno spettrometro di massa e li ordiniamo, elemento per elemento. Se il catalizzatore è stabile, difficilmente troveremo alcun atomo dal materiale catalizzatore. Infatti, non siamo riusciti a rilevare alcuna decomposizione del materiale nelle strutture del triangolo atomico quando è stato prodotto l'idrogeno". Questo effetto stabilizzante è sorprendentemente forte:ora il team sta lavorando per rendere l'ossido di zinco ancora più efficiente e trasferire il principio fisico di questa stabilizzazione ad altri materiali .

Opportunità di ricerca uniche per la trasformazione del sistema energetico

Le strutture superficiali atomiche sono state studiate alla TU Wien per molti anni. "Nel nostro istituto, queste strutture triangolari sono state dimostrate e spiegate teoricamente anni fa, e ora siamo i primi a dimostrare la loro importanza per l'elettrochimica, " afferma Markus Valtiner. "Questo perché qui ci troviamo nella situazione unica di poter combinare tutte le fasi di ricerca necessarie sotto lo stesso tetto, dalla preparazione del campione alla simulazione su supercomputer, dalla microscopia in ultra alto vuoto ai test pratici in ambienti realistici."

"Questa collaborazione di diverse specialità sotto lo stesso tetto è unica, e il nostro grande vantaggio di poter essere un leader globale nella ricerca e nell'insegnamento in questo campo, "dice Carina Brunnhofer, studente presso IAP.

"Nei prossimi dieci anni, svilupperemo sistemi stabili e commercialmente validi per la scissione dell'acqua e la CO ₂ riduzione basata su sviluppi metodologici e una comprensione fondamentale della chimica e della fisica delle superfici, "dice Dominik Dworschak, il primo autore dello studio recentemente pubblicato. "Però, deve essere realizzato in parallelo almeno un raddoppio sostenibile della potenza attuale, " osserva Markus Valtiner. "Siamo quindi su un percorso entusiasmante, su cui raggiungeremo i nostri obiettivi climatici solo attraverso coerenti, ricerca e sviluppo intersettoriale.