Le preoccupazioni per l'aumento dei livelli di anidride carbonica nell'atmosfera e il riscaldamento globale hanno reso un imperativo ambientale sostituire i combustibili fossili con alternative più pulite e sostenibili. A questo proposito, l'idrogeno, una fonte di energia pulita, è emerso come un ottimo candidato potenziale.

Tra i vari metodi disponibili per la generazione di idrogeno, la scissione dell'acqua utilizzando l'elettricità in presenza di un catalizzatore - o scissione elettrocatalitica dell'acqua, come viene chiamata - è la più pulita. Sfortunatamente, il processo richiede costosi e rari catalizzatori di metalli nobili, come il platino, per mantenere una ragionevole efficienza. Questo, a sua volta, ha limitato le sue applicazioni industriali su larga scala.

Un'opzione relativamente economica sono i catalizzatori a base di metalli di transizione, come ossidi, solfuri, idrossidi di cobalto, nichel, ferro, ecc. Tuttavia, c'è un problema:la scissione elettrocatalitica dell'acqua consiste in due semireazioni, vale a dire la reazione di evoluzione dell'idrogeno ( HER) e la reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER). In OER, le molecole d'acqua vengono ossidate per formare ossigeno e ioni idrogeno positivi all'anodo (elettrodo caricato positivamente). Gli ioni idrogeno si spostano quindi attraverso l'elettrolita fino al catodo (l'elettrodo caricato negativamente), dove vengono ridotti per produrre idrogeno (HER). Si scopre che la maggior parte dei catalizzatori a base di metalli di transizione riportati finora possono catalizzare solo HER o OER. Ciò comporta una configurazione complicata e un costo complessivo più elevato.

In questo contesto, i ricercatori della Chung-Ang University in Corea hanno sviluppato, in un nuovo studio, un nuovo catalizzatore eterostrutturato costituito da solfuro di cobalto cavo (CoS_x ) e nanosheet a doppio idrossido (LDH) a strati di nichel-ferro (NiFe) che potenziano contemporaneamente entrambe le semireazioni. Questo documento è stato reso disponibile online il 15 marzo 2022 ed è stato pubblicato nel volume 18 numero 16 della rivista Small il 16 aprile 2022.

"Una strategia ragionevole per fabbricare catalizzatori altamente efficienti per la scissione dell'acqua consiste nell'integrare in modo elaborato i catalizzatori NiFe LDH e HER attivi OER in un'eterostruttura", spiega il professore assistente Seung-Keun Park, che ha guidato lo studio. "Data la loro elevata superficie e struttura aperta, si ritiene che i catalizzatori HER cavi siano ideali per questo lavoro. Si scopre che le strutture metallo-organiche (MOF) sono un precursore efficiente per la fabbricazione di strutture cave. Tuttavia, un catalizzatore cavo a base di MOF con NiFe LDH non è stato segnalato finora."

Di conseguenza, i ricercatori hanno depositato elettrochimicamente nanosheet NiFe LDH in modo controllato sulla superficie di CoS_x cavo nanoarray supportati su schiuma di nichel. "L'integrazione di un catalizzatore HER attivo, CoS_x e un catalizzatore OER, NiFe LDH, garantisce un'attività catalitica bifunzionale superiore", afferma il Dr. Park.

E infatti, il catalizzatore è stato in grado di fornire costantemente un'elevata densità di corrente di 1000 mA cm ^-2 in entrambe le semireazioni a basse tensioni di cella, suggerendo la sua fattibilità per applicazioni di scissione dell'acqua su scala industriale. I ricercatori hanno attribuito ciò alla presenza di ampi siti attivi sull'eterostruttura del catalizzatore, che hanno consentito la penetrazione dell'elettrolita e il rilascio di gas durante le reazioni. Inoltre, un elettrolizzatore basato su questo catalizzatore ha dimostrato un'elevata densità di corrente di 300 mA cm ^-2 a basso voltaggio della cella e una durata di 100 ore nella scissione complessiva dell'acqua.

"Le proprietà elettrocatalitiche migliorate del nostro catalizzatore sono probabilmente dovute alla sua eterostruttura gerarchica unica e alla sinergia tra i suoi componenti. Crediamo che il nostro lavoro ci porterà un passo avanti verso la realizzazione di una società a emissioni zero", afferma il dott. Park. + Esplora ulteriormente

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