I gruppi guida della Cornell University, L'Oregon State University e l'Argonne National Laboratory utilizzano una serie di strumenti di caratterizzazione avanzati per studiare l'evoluzione della struttura atomica di un elettrocatalizzatore OER all'avanguardia, iridato di stronzio (SrIrO 3 ), in elettrolita acido, per capire l'origine della sua attività record (1000 volte superiore al catalizzatore commerciale, ossido di iridio) per l'OER. Credito:Zhenxing Feng, Università statale dell'Oregon
La produzione di massa efficiente di idrogeno dall'acqua è più vicina a diventare una realtà grazie ai ricercatori e ai collaboratori dell'Oregon State University College of Engineering della Cornell University e dell'Argonne National Laboratory.
Gli scienziati hanno utilizzato strumenti sperimentali avanzati per ottenere una comprensione più chiara di un processo catalitico elettrochimico più pulito e sostenibile rispetto alla derivazione dell'idrogeno dal gas naturale.
I risultati sono stati pubblicati oggi in Progressi scientifici .
L'idrogeno si trova in una vasta gamma di composti sulla Terra, più comunemente combinandosi con l'ossigeno per produrre acqua, e ha molti aspetti scientifici, ruoli industriali ed energetici. Si presenta anche sotto forma di idrocarburi, composti costituiti da idrogeno e carbonio come metano, il componente principale del gas naturale.
"La produzione di idrogeno è importante per molti aspetti della nostra vita, come le celle a combustibile per auto e la produzione di molte sostanze chimiche utili come l'ammoniaca, " ha detto Zhenxing Feng dell'Oregon State, un professore di ingegneria chimica che ha guidato lo studio. "Si usa anche nella raffinazione dei metalli, per la produzione di materiali artificiali come la plastica e per una serie di altri scopi."
Secondo il Dipartimento dell'Energia, gli Stati Uniti producono la maggior parte del loro idrogeno da una fonte di metano come il gas naturale tramite una tecnica nota come reforming del metano a vapore. Il processo prevede di sottoporre il metano a vapore pressurizzato in presenza di un catalizzatore, creando una reazione che produce idrogeno e monossido di carbonio, così come una piccola quantità di anidride carbonica.
Il passaggio successivo è indicato come reazione di spostamento acqua-gas in cui il monossido di carbonio e il vapore vengono fatti reagire tramite un catalizzatore diverso, produrre anidride carbonica e idrogeno aggiuntivo. Nell'ultimo passaggio, adsorbimento a oscillazione di pressione, l'anidride carbonica e altre impurità vengono rimosse, lasciando dietro di sé idrogeno puro.
"Rispetto al reforming del gas naturale, l'uso dell'elettricità da fonti rinnovabili per scindere l'acqua per l'idrogeno è più pulito e sostenibile, " Feng ha detto. "Tuttavia, l'efficienza della scissione dell'acqua è bassa, principalmente a causa dell'alto potenziale eccessivo - la differenza tra il potenziale effettivo e il potenziale teorico di una reazione elettrochimica - di una semireazione chiave nel processo, la reazione di evoluzione dell'ossigeno o OER."
Una semireazione è una delle due parti di un redox, o riduzione-ossidazione, reazione in cui gli elettroni vengono trasferiti tra due reagenti; la riduzione si riferisce all'acquisizione di elettroni, ossidazione significa perdere elettroni.
Il concetto di semireazioni è spesso usato per descrivere ciò che accade in una cella elettrochimica, e le semireazioni sono comunemente usate come un modo per bilanciare le reazioni redox. Il potenziale eccessivo è il margine tra la tensione teorica e la tensione effettiva necessaria per causare l'elettrolisi, una reazione chimica guidata dall'applicazione di corrente elettrica.
"Gli elettrocatalizzatori sono fondamentali per promuovere la reazione di scissione dell'acqua abbassando il potenziale eccessivo, ma lo sviluppo di elettrocatalizzatori ad alte prestazioni è tutt'altro che semplice, " Feng ha detto. "Uno dei maggiori ostacoli è la mancanza di informazioni riguardanti l'evoluzione della struttura degli elettrocatalizzatori durante le operazioni elettrochimiche. Comprendere l'evoluzione strutturale e chimica dell'elettrocatalizzatore durante l'OER è essenziale per lo sviluppo di materiali elettrocatalizzatori di alta qualità e, a sua volta, sostenibilità energetica».
Feng e collaboratori hanno utilizzato una serie di strumenti di caratterizzazione avanzati per studiare l'evoluzione strutturale atomica di un elettrocatalizzatore OER all'avanguardia, iridato di stronzio (SrIrO 3 ), nell'elettrolita acido.
"Volevamo capire l'origine della sua attività record per l'OER—1, 000 volte superiore al comune catalizzatore commerciale, ossido di iridio, " Feng ha detto. "Utilizzando strutture a raggi X basate su sincrotrone ad Argonne e spettroscopia fotoelettronica a raggi X basata su laboratorio presso il sito dell'infrastruttura di nanotecnologia nordoccidentale presso l'OSU, abbiamo osservato la trasformazione chimica superficiale e da cristallina ad amorfa di SrIrO 3 durante l'OER."
Le osservazioni hanno portato a una profonda comprensione di cosa stava succedendo dietro la capacità dell'iridato di stronzio di funzionare così bene come catalizzatore.
"Il nostro dettagliato, la scoperta su scala atomica spiega come lo strato attivo di stronzio iridato si forma sullo stronzio iridato e indica il ruolo critico dell'attivazione reticolare dell'ossigeno e della diffusione ionica accoppiata sulla formazione delle unità OER attive, " Egli ha detto.
Feng ha aggiunto che il lavoro fornisce informazioni su come il potenziale applicato facilita la formazione degli strati amorfi funzionali all'interfaccia elettrochimica e porta a possibilità per la progettazione di catalizzatori migliori.
