Un nuovo modo di ancorare i singoli atomi di iridio alla superficie di un catalizzatore ha aumentato la sua efficienza nella scissione delle molecole d'acqua a livelli record, lo hanno riferito oggi scienziati del Dipartimento dell'Energia del National Accelerator Laboratory SLAC e della Stanford University.

Era la prima volta che questo approccio veniva applicato alla reazione di evoluzione dell'ossigeno, o OER – parte di un processo chiamato elettrolisi che utilizza l'elettricità per dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno. Se alimentato da fonti energetiche rinnovabili, l'elettrolisi potrebbe produrre combustibili e materie prime chimiche in modo più sostenibile e ridurre l'uso di combustibili fossili. Ma il ritmo lento di OER è stato un collo di bottiglia per migliorare la sua efficienza in modo che possa competere nel mercato aperto.

I risultati di questo studio potrebbero alleviare il collo di bottiglia e aprire nuove strade per osservare e comprendere come questi centri catalitici a singolo atomo operano in condizioni di lavoro realistiche, ha detto il gruppo di ricerca.

Hanno pubblicato i loro risultati oggi nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Spine industriali

I catalizzatori sono la spina dorsale dell'industria chimica e promettono un futuro energetico sostenibile. Come sensali, afferrano molecole da un flusso passante di liquido o gas e le incoraggiano a reagire tra loro, senza consumarsi essi stessi. Per massimizzare l'efficienza di questo processo, le nanoparticelle di catalizzatore sono tipicamente sparse sulla superficie di un materiale poroso che offre la più ampia superficie possibile affinché molte reazioni avvengano contemporaneamente.

Ma solo gli atomi all'esterno di una nanoparticella possono partecipare alla catalisi; quelli interni vanno sprecati. Quando il catalizzatore è un metallo prezioso costoso come l'iridio o il platino, anche una piccola quantità di rifiuti è costosa. Quindi gli scienziati hanno lavorato invece sull'utilizzo di singoli atomi di questi metalli preziosi. Ogni atomo è un centro di reazione catalitica. Le loro dimensioni ridotte significano che molti di loro possono adattarsi alla superficie di una determinata struttura di supporto. Ciò aumenta notevolmente la quantità di catalizzatore attivo esposto ai reagenti e il numero di reazioni che possono aver luogo contemporaneamente, aumentando l'efficienza.

In questo studio, un team guidato dal professor Yi Cui dello SLAC/Stanford e dallo scienziato dello staff dello SLAC Michal Bajdich ha sviluppato un nuovo modo per ancorare i singoli atomi di iridio su una superficie di supporto. I ricercatori post-dottorato di Stanford Xueli Zheng e Jing Tang hanno condotto l'esperimento, aiutato dalla simulazione teorica dei dati a raggi X dello scienziato dello staff associato SLAC Alessandro Gallo che ha rivelato quale configurazione sarebbe la più stabile ed efficace.

Ancoraggio atomo per atomo

Per realizzare il nuovo catalizzatore, i ricercatori hanno prima realizzato una struttura porosa per supportare gli atomi di iridio che avrebbero catalizzato la reazione.

Hanno esposto questa struttura simile a una schiuma a una soluzione contenente composti di iridio, congelarlo rapidamente per creare un sottile, strato di ghiaccio in superficie ricco di iridio, e ha effettuato un'ulteriore elaborazione per creare siti ben distribuiti in cui i singoli atomi di iridio erano saldamente ancorati alla superficie di supporto.

Le osservazioni ai raggi X del catalizzatore all'opera hanno rivelato che gli atomi di iridio erano in uno stato chimico che li rende eccezionalmente efficaci nello svolgere la parte della reazione di scissione dell'acqua che rilascia ossigeno.

Altri test hanno mostrato che questa attività potenziata era dovuta interamente al fatto che l'iridio era sotto forma di singolo, atomi isolati, e non solo per l'ampia superficie su cui erano incastonati.

Il catalizzatore risultante è migliore della maggior parte dei catalizzatori a base di iridio conosciuti fino ad oggi, hanno riferito i ricercatori. Hanno detto che questo nuovo sistema di ancoraggio dell'atomo fornisce un modello ideale per sondare e stabilire la connessione tra i catalizzatori e le loro strutture di supporto per una varietà di reazioni elettrocatalitiche.