In uno studio pubblicato sul Journal of American Chemical Society il team ha utilizzato la spettroscopia per rivelare come le specie chimiche coinvolte nella reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER) catalizzata dall'ossido di iridio interagiscono con la soluzione che le circonda.

L’OER è importante in molti processi di energia pulita come la trasformazione dell’anidride carbonica in combustibili liquidi utilizzabili e la generazione di idrogeno verde dall’elettrolisi dell’acqua. Entrambi i processi saranno cruciali in un futuro senza combustibili fossili. Pertanto, comprendere a fondo le OER è un importante obiettivo di ricerca.

I processi catalitici possono essere complessi con varie specie intermedie coinvolte nel passaggio dal materiale di partenza al prodotto desiderato. Le tecniche Operando consentono di studiare questi intermedi utilizzando la spettroscopia durante la reazione, fornendo una finestra su ciò che sta realmente accadendo.

Utilizzando un elettrodo con una superficie di ossido di iridio, i ricercatori hanno studiato l'ossidazione delle molecole d'acqua in soluzioni con diversi valori di pH.

"L'interazione tra la superficie dell'elettrodo e gli intermedi ossigenati è fondamentale per l'efficienza dell'OER, quindi l'ottimizzazione del materiale catalizzatore è stata generalmente l'obiettivo", spiega l'autore senior Reshma R. Rao dell'Imperial College di Londra.

"Tuttavia, le osservazioni fino ad oggi hanno lasciato domande senza risposta, quindi abbiamo esaminato più da vicino il lato della soluzione dell'interfaccia utilizzando la spettroscopia UV-Vis operando, la spettroscopia di assorbimento dei raggi X e la spettroscopia a infrarossi potenziata dalla superficie."

Per ottenere una reazione efficiente, il legame degli intermedi di reazione all'elettrodo deve essere giusto per consentire agli intermedi di interagire con l'elettrodo, ma non essere così forte da rimanere attaccati all'elettrodo e non poter reagire. I ricercatori hanno scoperto che il legame era controllato da interazioni a lungo raggio tra gli intermedi attraverso la soluzione e ciò dipendeva dal pH.

In condizioni alcaline, l’acqua vicino all’elettrodo ha influenzato le interazioni a lungo raggio tra le specie ossigenate, che hanno influenzato il loro legame con la superficie. Quindi, sebbene gli intermedi si leghino più fortemente a pH più elevati, le interazioni facilitate dall'acqua interfacciale destabilizzano le specie ossigenate e consentono la reazione.

"L'utilizzo della spettroscopia operando e di tecniche complementari per ottenere uno sguardo diretto sulle specie coinvolte ci ha permesso di ampliare la comprensione delle prestazioni del catalizzatore oltre il legame degli elettrodi", afferma l'autore senior Yu Katayama. "Crediamo che tale intuizione sarà la chiave per ottimizzare la cinetica dell'OER."

I risultati contribuiranno ad aumentare l’efficienza dell’ossidazione dell’acqua per la produzione di idrogeno verde. Inoltre, combinare la spettroscopia operando con tecniche complementari può essere utile per comprendere la catalisi di molti altri processi.