Un futuro di energia pulita alimentato dal carburante a idrogeno dipende dal capire come dividere l'acqua in modo affidabile ed efficiente. È perché, anche se l'idrogeno è abbondante, deve essere derivato da un'altra sostanza che lo contiene - e oggi, quella sostanza è spesso gas metano. Gli scienziati stanno cercando modi per isolare questo elemento che trasporta energia senza utilizzare combustibili fossili. Questo aprirebbe la strada alle auto alimentate a idrogeno, Per esempio, che emettono solo acqua e aria calda dal tubo di scappamento.

Acqua, o H2O, unisce idrogeno e ossigeno. Gli atomi di idrogeno sotto forma di idrogeno molecolare devono essere separati da questo composto. Questo processo dipende da un passaggio chiave, ma spesso lento:la reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER). L'OER è ciò che libera l'ossigeno molecolare dall'acqua, e controllare questa reazione è importante non solo per la produzione di idrogeno ma per una varietà di processi chimici, compresi quelli che si trovano nelle batterie.

Uno studio condotto da scienziati del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne National Laboratory illumina una qualità mutaforma negli ossidi di perovskite, un promettente tipo di materiale per accelerare l'OER. Gli ossidi di perovskite comprendono una gamma di composti che hanno tutti una struttura cristallina simile. Tipicamente contengono un metallo alcalino-terroso o lantanidi come La e Sr nel sito A, e un metallo di transizione come il Co nel sito B, combinato con ossigeno nella formula ABO3. La ricerca fornisce informazioni che potrebbero essere utilizzate per progettare nuovi materiali non solo per produrre combustibili rinnovabili, ma anche per immagazzinare energia.

Gli ossidi di perovskite possono provocare l'OER, e sono meno costosi dei metalli preziosi come l'iridio o il rutenio che fanno anche il lavoro. Ma gli ossidi di perovskite non sono così attivi (in altre parole, efficiente nell'accelerare l'OER) poiché questi metalli, e tendono a degradarsi lentamente.

"Capire come questi materiali possono essere attivi e stabili è stata una grande forza trainante per noi, " disse Pietro Papa Lopes, un assistente scienziato nella divisione Scienza dei materiali di Argonne che ha guidato lo studio. "Volevamo esplorare la relazione tra queste due proprietà e come si collega alle proprietà della perovskite stessa".

La ricerca precedente si è concentrata sulle proprietà di massa dei materiali di perovskite e su come questi si riferiscono all'attività OER. I ricercatori si sono chiesti, però, se c'era di più nella storia. Dopotutto, la superficie di un materiale, dove reagisce con l'ambiente circostante, può essere completamente diverso dal resto. Esempi come questo sono ovunque in natura:pensa a un avocado diviso a metà che diventa rapidamente marrone dove incontra l'aria ma rimane verde all'interno. Per i materiali in perovskite, una superficie che diventa diversa dalla massa potrebbe avere importanti implicazioni sul modo in cui comprendiamo le loro proprietà.

Nei sistemi di elettrolisi dell'acqua, che scinde l'acqua in idrogeno e ossigeno, gli ossidi di perovskite interagiscono con un elettrolita costituito da acqua e speciali specie di sale, creando un'interfaccia che permetta al dispositivo di funzionare. Quando viene applicata la corrente elettrica, quell'interfaccia è fondamentale per dare il via al processo di scissione dell'acqua. "La superficie del materiale è l'aspetto più importante di come procederà la reazione di evoluzione dell'ossigeno:quanta tensione è necessaria, e quanto ossigeno e idrogeno produrrai, " ha detto Lopes.

Non solo la superficie dell'ossido di perovskite è diversa dal resto del materiale, cambia anche nel tempo. "Una volta che è in un sistema elettrochimico, la superficie della perovskite evolve e si trasforma in una sottile, pellicola amorfa, " Ha detto Lopes. "Non è mai veramente lo stesso del materiale con cui inizi".

I ricercatori hanno combinato calcoli teorici ed esperimenti per determinare come si evolve la superficie di un materiale di perovskite durante l'OER. Per farlo con precisione, hanno studiato la perovskite di ossido di cobalto lantanio e l'hanno messa a punto "dopando" il lantanio con lo stronzio, un metallo più reattivo. Più stronzio veniva aggiunto al materiale iniziale, più velocemente la sua superficie si è evoluta ed è diventata attiva per l'OER, un processo che i ricercatori sono stati in grado di osservare a risoluzione atomica con la microscopia elettronica a trasmissione. I ricercatori hanno scoperto che la dissoluzione dello stronzio e la perdita di ossigeno dalla perovskite stavano guidando la formazione di questo strato superficiale amorfo, che è stato ulteriormente spiegato dalla modellazione computazionale eseguita utilizzando il Center for Nanoscale Materials, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

"L'ultimo pezzo mancante per capire perché le perovskiti erano attive verso l'OER era esplorare il ruolo di piccole quantità di ferro presenti nell'elettrolita, Lopes ha detto. Lo stesso gruppo di ricercatori ha recentemente scoperto che tracce di ferro possono migliorare l'OER su altre superfici di ossido amorfo. Una volta determinato che una superficie di perovskite evolve in un ossido amorfo, poi divenne chiaro perché il ferro era così importante.

"Gli studi computazionali aiutano gli scienziati a comprendere i meccanismi di reazione che coinvolgono sia la superficie della perovskite che l'elettrolita, " ha detto Peter Zapol, un fisico all'Argonne e coautore dello studio. "Ci siamo concentrati sui meccanismi di reazione che guidano sia l'attività che le tendenze di stabilità nei materiali perovskite. Questo non viene in genere fatto negli studi computazionali, che tendono a concentrarsi esclusivamente sui meccanismi di reazione responsabili dell'attività."

Lo studio ha scoperto che la superficie dell'ossido di perovskite si è evoluta in un film amorfo ricco di cobalto dello spessore di pochi nanometri. Quando il ferro era presente nell'elettrolita, il ferro ha contribuito ad accelerare l'OER, mentre il film ricco di cobalto ha un effetto stabilizzante sul ferro, mantenendolo attivo in superficie.

I risultati suggeriscono nuove potenziali strategie per la progettazione di materiali in perovskite:si può immaginare di creare un sistema a due strati, Lopes ha detto, che è ancora più stabile e capace di promuovere l'OER.

"L'OER fa parte di tanti processi, quindi l'applicabilità qui è piuttosto ampia, " Ha detto Lopes. "Comprendere le dinamiche dei materiali e il loro effetto sui processi di superficie è come possiamo migliorare la conversione dell'energia e i sistemi di accumulo, più efficiente e conveniente."

Lo studio è descritto in un articolo pubblicato ed evidenziato sulla copertina del Giornale della Società Chimica Americana , "Siti attivi dinamicamente stabili dall'evoluzione superficiale dei materiali perovskite durante l'evoluzione dell'ossigeno".