Di regola, la maggior parte dei materiali catalitici si deteriora durante cicli catalitici ripetuti:invecchiano. Ma ci sono anche composti che aumentano le loro prestazioni nel corso della catalisi. Un esempio è il minerale erythrite, un composto minerale comprendente cobalto e ossidi di arsenico con una formula molecolare di (Co ₃ (AsO ₄ ) ² 8H ₂ O). Il minerale si distingue per il suo colore viola. L'eritrite si presta ad accelerare la generazione di ossigeno all'anodo durante la scissione elettrolitica dell'acqua in idrogeno e ossigeno.

Campioni dal Costa Rica

Il giovane gruppo di ricercatori guidato dal Dr. Marcel Risch presso l'HZB insieme a gruppi del Costa Rica ha ora analizzato in dettaglio questi materiali minerali catalizzatori presso BESSY II e ha fatto un'interessante scoperta.

Utilizzando campioni prodotti da colleghi in Costa Rica costituiti da minuscoli cristalli di eritrite in polvere, Javier Villalobos, uno studente di dottorato nel gruppo di Risch all'HZB, rivestito gli elettrodi con questa polvere. Li ha poi esaminati prima, durante, e dopo centinaia di cicli di elettrolisi in quattro diversi elettroliti a pH neutro, compresa la normale acqua gassata (acqua gassata).

Perdita della struttura originale

Col tempo, la superficie di ogni strato cataliticamente attivo ha mostrato evidenti cambiamenti in tutti gli elettroliti. L'originaria struttura cristallina è andata perduta, come mostrato dalle immagini del microscopio elettronico a scansione, e più ioni cobalto hanno cambiato il loro numero di ossidazione a causa della tensione applicata, che è stato determinato elettrochimicamente. Nel tempo è stato dimostrato anche un aumento della resa di ossigeno nell'acqua gassata (acqua gassata), anche se solo in quell'elettrolita. Il catalizzatore è nettamente migliorato.

Osservazioni a BESSY II

Con le analisi di BESSY II, i ricercatori sono ora in grado di spiegare perché è stato così:utilizzando la spettroscopia di assorbimento dei raggi X, hanno scansionato l'ambiente atomico e chimico attorno agli ioni di cobalto. I campioni più attivi hanno perso la loro struttura cristallina di eritrite originale e sono stati trasformati in una struttura meno ordinata che può essere descritta come piastrine dello spessore di appena due atomi. Più grandi diventavano queste piastrine, più attivo era il campione. I dati nel corso dei cicli di catalisi hanno mostrato che il numero di ossidazione del cobalto in queste piastrine è aumentato di più nell'acqua gassata, da 2.0 a 2.8. Poiché gli ossidi con numero di ossidazione 3 sono noti per essere ottimi catalizzatori, questo spiega il miglioramento rispetto ai catalizzatori che si sono formati negli altri elettroliti.

Rendimento di ossigeno raddoppiato

Nell'acqua gassata, la resa di ossigeno per ione cobalto è diminuita di un fattore 28 su 800 cicli, ma allo stesso tempo 56 volte più atomi di cobalto hanno cambiato elettrochimicamente il loro numero di ossidazione. Macroscopicamente, la generazione di corrente elettrica e quindi la resa di ossigeno dell'elettrodo è raddoppiata.

Dagli aghi al formaggio svizzero

In poche parole, Risch spiega:"Nel corso del tempo, il materiale diventa come il formaggio svizzero con molti fori e una superficie più ampia dove possono avvenire molte più reazioni. Anche se i singoli centri cataliticamente attivi diventano un po' più deboli nel tempo, la maggiore superficie significa che molti più potenziali centri cataliticamente attivi entrano in contatto con l'elettrolita e ne aumentano la resa".

Risch suggerisce che tali meccanismi possono essere trovati anche in molte altre classi di materiali costituiti da composti non tossici, che possono essere sviluppati in catalizzatori adatti.

Lo studio è stato pubblicato su Materiali energetici avanzati .