I dettagli dei loro risultati sono stati pubblicati nel Journal of Materials Chemistry A il 1 maggio 2024.

L’idrogeno, noto come “carburante del futuro”, offre numerosi vantaggi nella transizione verso un’economia a basse emissioni di carbonio. La sua versatilità consente applicazioni in molteplici settori, compresi i trasporti, dove le celle a combustibile a idrogeno possono alimentare i veicoli, riducendo così le emissioni di gas serra e mitigando il cambiamento climatico. Tuttavia, persistono sfide significative nell'elettrocatalisi dell'ossigeno, che ostacolano lo sviluppo di tecniche su larga scala per la generazione e l'utilizzo dell'idrogeno basate sull'elettricità verde.

Una delle sfide di lunga data è la dipendenza da costosi catalizzatori PGM per azionare l’elettrocatalisi dell’ossigeno. In risposta a queste sfide, i ricercatori si sono rivolti ai catalizzatori M-N-C come alternativa promettente.

I rapporti degli ultimi dieci anni hanno dimostrato che i catalizzatori M-N-C, drogati con elementi metallici abbondanti sulla terra come i metalli 3d, offrono prestazioni versatili nell'elettrocatalisi dell'ossigeno, alcuni paragonabili ai catalizzatori PGM. Tuttavia, l’esatta meccanica dietro le loro attività elettrocatalitiche rimane carente; fattori chiave come il potenziale di carica zero (PZC) e gli effetti di solvatazione sono stati trascurati negli studi precedenti.

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"Siamo a un punto critico nelle tecnologie energetiche sostenibili", afferma Di Zhang, assistente professore presso l'Istituto Avanzato per la Ricerca sui Materiali dell'Università di Tohoku e coautore dello studio. "Comprendere i fattori che influenzano le prestazioni dei catalizzatori M-N-C è essenziale per l'innovazione nella generazione e nell'utilizzo dell'idrogeno."

Zhang e i suoi colleghi hanno rivelato che i PZC e gli effetti di solvatazione svolgono un ruolo fondamentale nelle attività dipendenti dal pH, incidendo in modo significativo sull'energia della reazione.

Eseguendo un campionamento su larga scala tramite la dinamica molecolare ab initio e calcoli della teoria del funzionale della densità, i ricercatori hanno analizzato dodici distinte configurazioni M-N-C con modelli di solvatazione espliciti. Hanno osservato variazioni sostanziali nei PZC e negli effetti di solvatazione in base alle strutture del catalizzatore, ai tipi di metalli e alle configurazioni dell'azoto.

"I nostri risultati sottolineano l'importanza di considerare gli effetti PZC e solvatazione nella modellazione microcinetica", aggiunge Zhang. "Questa conoscenza è fondamentale per la progettazione razionale di catalizzatori M-N-C ad alte prestazioni, accelerando lo sviluppo di tecnologie sostenibili per l'idrogeno."