Sebbene l'idrogeno sia ampiamente suggerito come combustibile alternativo a zero emissioni di carbonio, la maggior parte della produzione commerciale di combustibili a idrogeno è ottenuta dalla raffinazione di combustibili fossili. Il limitato serbatoio di combustibili fossili e il loro impatto negativo sull'ambiente ha incoraggiato i ricercatori a sviluppare tecnologie alternative per produrre combustibile a idrogeno attraverso un processo ecologico. Tale "idrogeno verde" può essere prodotto dall'elettrolisi dell'acqua, che è abbondante in natura, utilizzando energia elettrica derivata da una fonte di energia rinnovabile. Però, l'efficienza dell'elettrolisi dell'acqua è significativamente limitata a causa della lenta reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER), che richiede un'elevata tensione termodinamica di 1,23 V.

Per risparmiare energia per la generazione di idrogeno, sostituire l'elettrolisi dell'acqua lenta con la reazione di ossidazione dell'urea (UOR) offre una grande promessa, grazie alla termodinamica favorevole (0,37 V, tensione termodinamica) condizioni di elettrolisi dell'urea. C'è un ulteriore vantaggio nel mitigare il problema della contaminazione da urea, dove circa 2, Ogni anno vengono scaricati nel fiume 200 miliardi di tonnellate di acque reflue ricche di urea. Catalizzatori a base di metalli nobili, come platino (Pt) e rodio (Rh), sono usati per aumentare la velocità del processo di ossidazione. Però, questi catalizzatori di metalli nobili sono molto costosi e mostrano scarse prestazioni durante il funzionamento a lungo termine.

Recentemente, i catalizzatori a singolo atomo (SAC) hanno mostrato prestazioni eccezionali rispetto alle controparti a base di nanomateriali. Però, il basso carico di metalli ( <3% in peso) di SAC, che è causato dalla tendenza degli atomi di superficie a migrare, rappresenta una seria sfida per un'applicazione scalabile.

Guidato dal direttore associato LEE Hyoyoung del Center for Integrated Nanostructure Physics all'interno dell'Institute for Basic Science (IBS) situato presso la Sungkyunkwan University, il team di ricerca di IBS ha sviluppato una strategia per ottenere un carico ultra elevato di siti di singoli atomi di metallo. Ciò è stato ottenuto introducendo una deformazione superficiale sul materiale di supporto, che ha consentito un'eccezionale generazione di idrogeno assistito dall'ossidazione dell'urea.

"Abbiamo utilizzato il metodo di spegnimento con azoto liquido per generare deformazioni di trazione sulla superficie dell'ossido di cobalto (Co ₃ oh ₄ ). La velocità di raffreddamento ultra elevata espande il parametro reticolare del campione temprato a causa dell'espansione termica, dando luogo a sollecitazioni di trazione sulla superficie dell'ossido. La superficie tesa di Co ₃ oh ₄ stabilizzato ~200% in più di carico del singolo atomo di rodio (Rh _SA ; 6,6 wt% di carico alla rinfusa e 11,6 wt% di carico di superficie) rispetto al Co . incontaminato ₃ oh ₄ superficie. Abbiamo scoperto che la superficie tesa può aumentare significativamente la barriera energetica di migrazione di Rh _SA rispetto alla superficie incontaminata, inibendo la loro migrazione e agglomerazione, " dice il dottorando, Ashwani Kumar, il primo autore dello studio.

"Siamo stati molto entusiasti di scoprire che l'elevato carico di Rh _SA stabilizzato sul Co . teso ₃ oh ₄ la superficie ha dimostrato un'eccezionale attività e stabilità UOR in ambienti sia alcalini che acidi, che era molto superiore ai commerciali Pt/C e Rh/C. Questa strategia di deformazione superficiale nel campo delle SAC non è mai stata riportata fino a quando i nostri risultati, " fa notare il direttore associato Lee, il corrispondente autore dello studio. I ricercatori hanno anche scoperto che questa strategia per l'alto carico di siti a singolo atomo non era limitata solo al rodio. Elevato carico di altri metalli nobili come platino, iridio, e anche i siti a singolo atomo a base di rutenio sono stati stabilizzati utilizzando la strategia della superficie deformata, che fornisce il terreno per un'applicazione più generale di questa scoperta.

Il team di ricerca ha valutato l'efficienza catalitica e la tensione di lavoro necessaria per l'ossidazione dell'urea utilizzando questo nuovo catalizzatore. Il catalizzatore avanzato (Rh _SA su Co . teso ₃ oh ₄ ) richiedeva solo 1,28 V rispetto all'elettrodo a idrogeno reversibile (RHE) per raggiungere una densità di corrente di 10 mA (milliampere) per cm2 dell'elettrodo, che era inferiore a quello dei requisiti dei catalizzatori commerciali Pt e Rh di 1,34 e 1,45 V, rispettivamente. Inoltre, il catalizzatore ha anche mostrato stabilità a lungo termine per 100 ore senza alcun cambiamento di struttura. Il gruppo ha utilizzato la simulazione della teoria del funzionale della densità per esplorare l'origine delle straordinarie prestazioni del nuovo catalizzatore, che si è rivelato essere dovuto al superiore assorbimento dell'urea e alla stabilizzazione degli intermedi CO*/NH*. Per di più, l'elettrolisi dell'urea ha consentito di risparmiare circa il 16,1% di energia in più rispetto all'elettrolisi dell'acqua per la generazione di idrogeno.

Il direttore associato Lee spiega, "Questo studio fornisce una strategia generale per stabilizzare il carico elevato di siti a singolo atomo per applicazioni scalabili, che era un problema di vecchia data nel campo delle SAC. Inoltre, questo studio ci porta un passo avanti verso un'economia dell'idrogeno priva di carbonio ea risparmio energetico. Questo elettrocatalizzatore di ossidazione dell'urea altamente efficiente ci aiuterà a superare le sfide a lungo termine del processo di raffinazione dei combustibili fossili:produrre idrogeno ad alta purezza per applicazioni commerciali a basso prezzo e in modo ecologico".

Lo studio è stato pubblicato il 30 settembre in Scienze energetiche e ambientali .