Un gruppo di ricercatori della Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) e della Xiamen University ha rivelato nuove conoscenze su come gli atomi di rutenio di superficie possono migliorare l'evoluzione dell'idrogeno e le attività di ossidazione del platino. Questa scoperta apre una nuova strada per la progettazione razionale di catalizzatori più avanzati per applicazioni di elettrolizzatori e celle a combustibile.

L'idrogeno è un vettore energetico pulito che non contiene carbonio. Si ritiene che svolga un ruolo essenziale nella nostra futura società sostenibile. L'idrogeno può essere prodotto dall'acqua tramite la reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER) in un elettrolizzatore utilizzando energie rinnovabili, e consumato tramite una reazione di ossidazione dell'idrogeno (HOR) in una cella a combustibile per generare elettricità. Sfortunatamente, queste due reazioni sono ben note cineticamente lente in mezzi alcalini, anche sui catalizzatori al platino più attivi. Le lente velocità di reazione limitano l'efficienza di questi due dispositivi elettrochimici e ne ostacolano l'ampia adozione. È noto che le velocità di reazione di HER/HOR su platino possono essere migliorate modificando la superficie o legando con rutenio. Però, i meccanismi di questa promozione sono oggetto di dibattito da decenni. Parte dei motivi è la mancanza di osservazione diretta dei comportamenti degli atomi di idrogeno sulle superfici dei catalizzatori.

Per svelare l'enigma delle elevate attività HER/HOR sui catalizzatori bimetallici platino-rutenio, un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Minhua Shao, Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biologica e Istituto dell'Energia presso HKUST, ha recentemente applicato la potente spettroscopia di assorbimento infrarosso potenziato dalla superficie (SEIRAS) per monitorare direttamente la forza di legame dell'importante intermedio di reazione, atomi di idrogeno su varie superfici. Attraverso l'elettrochimica combinata, spettroscopico, e studi teorici hanno confermato che gli atomi di rutenio superficiale interagiscono con il platino sotto la superficie è un ordine di grandezza più attivo del platino, cioè., gli atomi di rutenio piuttosto che di platino sono i principali siti attivi in ​​questo sistema.

"I lavori precedenti utilizzavano principalmente tecniche elettrochimiche e di caratterizzazione convenzionali, che non possono monitorare direttamente il comportamento di adsorbimento degli intermedi di reazione dell'idrogeno. In questo lavoro, usiamo la potente spettroscopia di assorbimento a infrarossi con superficie migliorata, che è tra le pochissime tecniche in grado di "vedere" direttamente gli atomi di idrogeno sulla superficie, e ci fornisce informazioni più dirette su come il rutenio migliora l'attività" ha affermato il prof. Shao. "Questo lavoro esclude la teoria più diffusa secondo cui l'effetto bifunzionale sull'interfaccia tra platino e rutenio è la causa di un aumento delle attività, e apre nuove direzioni sulla progettazione futura di catalizzatori HER/HOR più avanzati, che può di conseguenza ridurre l'uso di metalli preziosi sia negli elettrolizzatori ad acqua che nelle celle a combustibile a idrogeno."

Questo lavoro fa parte del nuovo progetto Collaborative Research Fund guidato dal Prof. Shao "Sviluppo di celle a combustibile a membrana alcalina ad alte prestazioni e di lunga durata, " e costituisce un'importante sottosezione di ricerca fondamentale per l'intero progetto. Sono in corso lavori sullo sviluppo di elettrocatalizzatori bimetallici platino-rutenio pratici e ad alte prestazioni basati su questi risultati.

Questo studio è stato recentemente pubblicato su Catalisi della natura intitolato "Il ruolo del rutenio nel miglioramento della cinetica dell'ossidazione dell'idrogeno e delle reazioni evolutive del platino".