Un team guidato dal Prof. YU Shuhong e dal Prof. HOU Zhonghuai dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina (USTC) dell'Accademia delle Scienze cinese ha sviluppato un approccio di ingegneria microchimica (MCE) guidato dalla teoria per manipolare la cinetica di reazione e quindi ottimizzare le prestazioni elettrocatalitiche della reazione di ossidazione del metanolo (MOR) nel canale 3D ordinato e reticolato (3DOC). Lo studio è stato pubblicato su Giornale della Società Chimica Americana .

Nell'ingegneria chimica su micro-nanoscala, due fattori primari generalmente influenzano la cinetica elettrocatalitica all'interfaccia elettrodo-elettrolita, cioè., la reazione sulla superficie dell'elettrodo e il trasferimento di massa dall'elettrolita alla superficie vicina e all'interno dello strato di diffusione.

La reazione superficiale può essere ottimizzata progettando catalizzatori su scala nanometrica e aumentando la porosità per aumentare i siti attivi, nonché regolando la struttura elettronica e l'energia di legame per aumentare l'attività intrinseca dei siti attivi. Per l'elettrocatalisi coinvolta da macrocatalizzatori, il trasferimento di massa dall'elettrolita sfuso alla superficie del catalizzatore è sufficientemente veloce a causa della lunghezza caratteristica trascurabile dello strato di diffusione rispetto alla dimensione del catalizzatore.

Però, man mano che il catalizzatore si ridimensiona alla nanoscala, il trasferimento di massa si discosta notevolmente dalla previsione della teoria tradizionale a causa della lunghezza dello strato di diffusione comparabile. Perciò, una nuova metodologia di ottimizzazione della cinetica di determinati catalizzatori rimane urgente per massimizzare le prestazioni elettrocatalitiche.

In questo studio, i ricercatori hanno proposto un approccio MCE che prevede l'ottimizzazione del processo del catalizzatore.

Hanno selezionato i nanotubi di platino (PT NT) come catalizzatore modello, ha impiegato l'assemblaggio dell'interfaccia aria-liquido e l'incisione elettrochimica in situ per costruire un canale 3D ordinato e reticolato ideale, e ha utilizzato MOR come reazione modello per testare le prestazioni elettrocatalitiche di 3DOC. I risultati della misurazione hanno indicato che esiste una dimensione ottimale del canale di 3DOC per MOR.

Oltretutto, in base alla funzione di densità di energia libera della superficie dell'elettrodo, i ricercatori hanno stabilito un modello cinetico completo che accoppia la reazione superficiale e il trasferimento di massa per regolare con precisione la cinetica e ottimizzare le prestazioni MOR. I risultati hanno mostrato che l'aumento della dimensione del canale di 3DOC ha promosso il trasferimento di massa dall'elettrolita sfuso sulla superficie del catalizzatore, e ha indebolito il flusso di elettroni verticale della reazione in 3DOC.

Questa competizione tra il trasferimento di massa e la reazione superficiale ha portato alle migliori prestazioni MOR su 3DOC con una dimensione specifica. Sotto la dimensione del canale ottimizzata, il trasferimento di massa e la reazione superficiale nel microreattore canalizzato erano entrambi ben regolati.

Questa ottimizzazione strutturale, diverso dal tradizionale design del catalizzatore termodinamico, assicura un significativo aumento delle prestazioni elettrocatalitiche eterogenee. Utilizzando il trasferimento di massa dell'accoppiamento MCE proposto e la reazione superficiale, l'ottimizzazione cinetica in elettrocatalisi può essere realizzata. Questa strategia MCE porterà a un balzo in avanti nella progettazione di catalizzatori strutturati e nella modulazione cinetica.