Oggi, possiamo affermare senza ombra di dubbio che è necessaria un'alternativa ai combustibili fossili. I combustibili fossili non sono solo fonti di energia non rinnovabili, ma anche tra le principali cause del riscaldamento globale e dell'inquinamento atmosferico. Così, molti scienziati in tutto il mondo ripongono le proprie speranze in quello che considerano il carburante di domani:l'idrogeno (H ₂ ). Sebbene H ₂ è un combustibile pulito con una densità energetica incredibilmente elevata, generarne in modo efficiente grandi quantità rimane una sfida tecnica difficile.

La scissione dell'acqua, la rottura delle molecole d'acqua, è tra i metodi più esplorati per produrre H ₂ . Sebbene ci siano molti modi per farlo, le tecniche di scissione dell'acqua più performanti coinvolgono elettrocatalizzatori realizzati con metalli costosi, come il platino, rutenio, e iridio. Il problema risiede nel fatto che gli elettrocatalizzatori noti realizzati con metalli abbondanti sono piuttosto inefficaci nella reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER), l'aspetto più impegnativo del processo di scissione dell'acqua.

In un recente studio pubblicato su Materiali energetici applicati ACS , un team di scienziati del Tokyo Institute of Technology, Giappone, trovato un notevole candidato elettrocatalizzatore per la scissione dell'acqua economicamente vantaggiosa:l'ossido di calcio e ferro (CaFe ₂ oh ₄ ). Considerando che gli ossidi di ferro (Fe) sono mediocri all'OER, studi precedenti avevano notato che combinarlo con altri metalli potrebbe aumentare le loro prestazioni a livelli effettivamente utili. Però, come commenta l'assistente professore e autore principale Dr. Yuuki Sugawara, nessuno si era concentrato su CaFe ₂ oh ₄ come potenziale elettrocatalizzatore OER. "Volevamo svelare il potenziale di CaFe ₂ oh ₄ e chiarire, attraverso confronti con altri ossidi bimetallici a base di ferro, fattori cruciali che promuovono la sua attività OER, " lui spiega.

A tal fine, il team ha testato sei tipi di ossidi a base di ferro, compreso CaFe ₂ oh ₄ . Hanno presto scoperto che le prestazioni OER di CaFe ₂ oh ₄ era di gran lunga maggiore di quello di altri elettrocatalizzatori bimetallici e persino superiore a quello dell'ossido di iridio, un punto di riferimento ampiamente accettato. Inoltre, hanno testato la durata di questo materiale promettente e hanno scoperto che era notevolmente stabile; dopo i cicli di misurazione non si sono verificati significativi cambiamenti strutturali o compositivi, e le prestazioni del CaFe ₂ oh ₄ l'elettrodo nella cella elettrochimica è rimasto alto.

Desideroso di capire il motivo dietro le eccezionali capacità di questo elettrocatalizzatore inesplorato, gli scienziati hanno eseguito calcoli utilizzando la teoria del funzionale della densità e hanno scoperto un meccanismo catalitico non convenzionale. Sembra che CaFe ₂ oh ₄ offre un percorso energeticamente favorevole per la formazione di legami di ossigeno, che è un passo limitante nell'OER. Sebbene saranno necessari più calcoli ed esperimenti teorici per essere sicuri, i risultati indicano che la distanza ravvicinata tra più siti di ferro gioca un ruolo chiave.

L'elettrocatalizzatore OER appena scoperto potrebbe sicuramente essere un punto di svolta, come osserva il dottor Sugawara, "Bar ₂ oh ₄ ha molti vantaggi, dalla sua sintesi facile ed economica alla sua compatibilità ambientale. Prevediamo che sarà un promettente elettrocatalizzatore OER per la scissione dell'acqua e che aprirà una nuova strada per lo sviluppo di dispositivi di conversione dell'energia". il nuovo meccanismo di potenziamento OER trovato in CaFe ₂ oh ₄ potrebbe portare alla progettazione di altri catalizzatori utili.