Gli scienziati che hanno creato un catalizzatore a base di nichel utilizzato per produrre combustibile a idrogeno lo hanno costruito uno strato atomico alla volta per ottenere il pieno controllo sulle sue proprietà chimiche. Ma il materiale finito non si è comportato come previsto:poiché una versione del catalizzatore ha svolto il suo lavoro, lo strato più alto di atomi riorganizzato per formare un nuovo modello, come se le piastrelle quadrate che ricoprono un pavimento si fossero improvvisamente trasformate in esagoni.

Ma va bene, hanno riferito oggi, perché la comprensione e il controllo di questa sorprendente trasformazione offre loro un nuovo modo per attivare e disattivare l'attività catalitica e rendere ancora migliori i buoni catalizzatori.

Il gruppo di ricerca, guidato da scienziati della Stanford University e del National Accelerator Laboratory del Dipartimento di Energia SLAC, descritto il loro studio in Materiali della natura oggi.

"I catalizzatori possono cambiare molto rapidamente nel corso di una reazione, e capire come si trasformano da una fase inattiva a una attiva è fondamentale per progettare catalizzatori più efficienti, " disse Will Chueh, un ricercatore dello Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) dello SLAC che ha guidato lo studio. "Questa trasformazione ci dà l'equivalente di una manopola che possiamo girare per mettere a punto il loro comportamento".

Dividere l'acqua per produrre idrogeno

I catalizzatori aiutano le molecole a reagire senza essere consumate nella reazione, quindi possono essere usati più e più volte. Sono la spina dorsale di molti dispositivi a energia verde.

Questo particolare catalizzatore, lantanio nichel ossido o LNO, viene utilizzato per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno in una reazione alimentata dall'elettricità. È il primo passo nella generazione di carburante a idrogeno, che ha un enorme potenziale per immagazzinare energia rinnovabile dalla luce solare e da altre fonti in una forma liquida ricca di energia e facile da trasportare. Infatti, diversi produttori hanno già prodotto auto elettriche alimentate da celle a combustibile a idrogeno.

Ma questo primo passo è anche il più difficile, disse Michal Bajdich, un teorico presso il SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis presso SLAC, e i ricercatori sono alla ricerca di materiali poco costosi che lo svolgeranno in modo più efficiente.

Poiché le reazioni avvengono sulla superficie di un catalizzatore, i ricercatori hanno cercato di progettare con precisione quelle superfici in modo che promuovano una sola reazione chimica specifica con un'elevata efficienza.

Materiali da costruzione uno strato atomico alla volta

L'LNO indagato in questo studio appartiene a una classe di promettenti materiali catalitici noti come perovskiti, prende il nome da un minerale naturale con una struttura atomica simile.

Christoph Baumer, che è venuto allo SLAC come Marie Curie Fellow dall'Università di Aquisgrana in Germania per svolgere lo studio, LNO preparato in quello che è noto come un film sottile epitassiale, un film cresciuto in strati atomicamente sottili in modo da creare una disposizione straordinariamente precisa degli atomi.

Dividendo il suo tempo tra California e Germania, Baeumer ha realizzato due versioni del film a temperature diverse, una con una superficie ricca di nichel e un'altra con una superficie ricca di lantanio. Quindi il team di ricerca ha analizzato tutte le versioni attraverso la reazione di scissione dell'acqua per confrontare le prestazioni.

"Siamo rimasti sorpresi nello scoprire che i film con superfici ricche di nichel hanno eseguito la reazione due volte più velocemente, " ha detto Baumer.

Regolazione della superficie di un catalizzatore per prestazioni migliori

Per scoprire perché, il team ha portato i film al Lawrence Berkeley National Laboratory del DOE, dove un gruppo guidato da Slavomir Nemsak ha osservato la loro struttura atomica con i raggi X presso l'Advanced Light Source.

"Era sorprendente che la differenza tra il catalizzatore 'buono' e 'cattivo' fosse solo nell'ultimo strato atomico dei film, " Ha detto Nemsak. Tali indagini hanno anche rivelato che nei film con strati superficiali ricchi di nichel che sono stati preparati a temperature più fredde, lo strato superiore di atomi trasformato ad un certo punto durante la reazione di scissione dell'acqua, e questa nuova disposizione ha potenziato l'attività catalitica.

Nel frattempo, Jiang Li, un ricercatore post-dottorato e teorico presso SUNCAT, ha eseguito studi computazionali su questo sistema molto complesso utilizzando il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Berkeley Lab. Le sue conclusioni concordavano con i risultati sperimentali, prevedendo che la versione del catalizzatore con la superficie trasformata, da un modello cubico a uno esagonale, sarebbe stata la più attiva e stabile.

Bajdich ha detto, "La trasformazione della superficie ricca di nichel è determinata dal modo in cui viene preparato il catalizzatore, o per modificazioni che subisce mentre compie la reazione di scissione dell'acqua? È molto difficile rispondere. Sembra che entrambi debbano verificarsi".

Sebbene questo particolare catalizzatore non sia il migliore al mondo per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno, Egli ha detto, scoprire come una trasformazione superficiale ne aumenti l'attività è importante e potrebbe applicarsi anche ad altri materiali.

"Se riusciamo a svelare i segreti di questa trasformazione in modo da poterla mettere a punto con precisione, " Egli ha detto, "allora possiamo sfruttare questo fenomeno per creare catalizzatori molto migliori in futuro".