Credito:JACS
Per risolvere la crisi energetica e le problematiche ambientali, la ricerca per abbandonare i combustibili fossili e convertirsi all'energia a idrogeno ecocompatibile e sostenibile è ben avviata in tutto il mondo. Recentemente, un team di ricercatori di POSTECH ha proposto un modo per produrre in modo efficiente carburante a idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua utilizzando nichel economico e facilmente disponibile come elettrocatalizzatore, il via libera all'era dell'economia dell'idrogeno.
Un team di ricerca POSTECH guidato dal professor Jong Kyu Kim e Ph.D. il candidato Jaerim Kim del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali e un team guidato dal Professor Jeong Woo Han e Ph.D. Il candidato Hyeonjung Jung del Dipartimento di Ingegneria Chimica ha sviluppato congiuntamente un sistema catalitico altamente efficiente a base di nichel drogato con atomi di metalli di transizione ossofili e ha identificato la correlazione tra le proprietà di adsorbimento catalitico e la cinetica della reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER) in un mezzo alcalino. Riconosciuti per il loro significato, questi risultati della ricerca sono stati presentati come la carta di copertina anteriore per il Giornale della Società Chimica Americana .
La cella a combustibile è un dispositivo di generazione di energia ecologica che produce elettricità utilizzando una reazione chimica in cui l'ossigeno (O 2 ) e idrogeno (H 2 ) producono acqua (H 2 O). Durante questo processo, la riduzione dell'elettrolisi dell'acqua avviene come controreazione, che dissocia l'acqua per generare idrogeno combustibile. Questo è noto per essere il modo più sicuro per l'ambiente e sostenibile per produrre combustibile a idrogeno di elevata purezza in grandi quantità. Però, ha lo svantaggio di essere costoso e inefficiente poiché richiede l'uso di metalli preziosi come elettrodi. Al fine di ridurre il costo unitario del combustibile a idrogeno prodotto mediante elettrolisi dell'acqua, è fondamentale sviluppare altamente attivi, stabile, ed economico catalizzatore elettrochimico, in grado di massimizzare le prestazioni di produzione di idrogeno.
A questa, il team di ricerca congiunto ha progettato un catalizzatore altamente efficace combinando il nichel abbondante in terra con una serie di elementi metallici di transizione ossofili per ottimizzare le capacità di adsorbimento nell'HER alcalino. Il team ha inoltre dimostrato che l'incorporazione di droganti ossofili può controllare efficacemente le proprietà di adsorbimento della superficie dei catalizzatori a base di Ni.
Al fine di potenziare ulteriormente l'attività HER dei catalizzatori a base di Ni, i ricercatori hanno introdotto un esclusivo array di nanoeliche (NH) tridimensionale (3-D), facilmente fabbricabile con un metodo di codeposition ad angolo obliquo, per abbondanti siti attivi in superficie, percorsi efficienti per il trasferimento di carica, e canali aperti per il trasporto di massa. Hanno fabbricato con successo un catalizzatore Ni NHs altamente attivo e stabile con Cr incorporato che mostra un'eccellente efficienza di produzione di idrogeno con una sovratensione ridotta più di quattro volte rispetto ai catalizzatori a film sottile a base di nichel convenzionali.
"Questa ricerca è significativa in quanto fornisce le basi accademiche per alte prestazioni e la commercializzazione del sistema di conversione dell'energia dell'idrogeno sostenibile, " ha spiegato il professor Jong Kyu Kim, il corrispondente autore dell'articolo. "I concetti chiave della strategia di progettazione e della metodologia sperimentale per elettrocatalizzatori bimetallici efficienti possono essere applicati non solo agli elettrolizzatori dell'acqua, ma anche alle celle a combustibile, riduzione dell'anidride carbonica, e sistema fotoelettrochimico. Si prevede che la messa in sicurezza di questa tecnologia originale avrà effetti a catena significativi e un'espansione tecnologica nel settore dell'energia ambientale".
Professor Jeong Woo Han, l'autore corrispondente dell'articolo, aggiunto, "La chimica computazionale ha notevolmente accelerato la reazione di elettrolisi dell'acqua trovando rapidamente bimetalli in grado di controllare la forza di adsorbimento del catalizzatore per consentire la fabbricazione di elettrocatalizzatori bimetallici utilizzando solo materiali non preziosi".
